2023高考物理二轮专题复习与测试第一部分专题四第14讲电磁感应与电磁波课件

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第14讲　电磁感应与电磁波
专题四 电路和电磁感应
1．磁通量．(1)公式：Φ＝BS，单位符号是Wb.(2)适用条件．①匀强磁场．②S为垂直于磁场的有效面积．2．电磁感应现象．当穿过闭合导体回路的磁通量发生变化时，闭合导体回路中有感应电流产生，这种利用磁场产生电流的现象叫作电磁感应．
3．感应电流方向的判定．(1)楞次定律．①内容：感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化．②适用范围：一切电磁感应现象．
(2)右手定则．①内容：如图，伸开右手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一平面内；让磁感线从掌心进入，并使拇指指向导线运动的方向，这时四指所指的方向就是感应电流的方向．②适用情况：导线切割磁感线产生感应电流．
(3)涡流．当线圈中的电流发生变化时，在它附近的导体中产生的像水中的旋涡一样的感应电流．
命题点一　感应电流方向的判断　楞次定律的应用1．感应电流方向的判断方法．(1)右手定则，即根据导体在磁场中做切割磁感线运动的情况进行判断．(2)楞次定律，即根据穿过闭合回路的磁通量的变化情况进行判断．2．楞次定律中“阻碍”的主要表现形式．(1)阻碍原磁通量的变化——“增反减同”．(2)阻碍相对运动——“来拒去留”．(3)使线圈面积有扩大或缩小的趋势——“增缩减扩”．(4)阻碍原电流的变化(自感现象)——“增反减同”．
电吉他的工作原理是在琴身上装有线圈，线圈附近被磁化的琴弦振动时，会使线圈中的磁通量发生变化，从而产生感应电流，再经信号放大器放大后传到扬声器．其简化示意图如图所示．则当图中琴弦向右靠近线圈时(　　)
A．穿过线圈的磁通量减小B．线圈中不产生感应电流C．琴弦受向左的安培力D．线圈有扩张趋势
解析：琴弦向右靠近线圈时，穿过线圈的磁通量增大，线圈中产生感应电流，由“来拒去留”可知琴弦受到向左的安培力，由“增缩减扩”可知线圈有收缩趋势，故A、B、D错误，C正确．故选C.
图甲为某款“自发电”无线门铃按钮，其“发电”原理如图乙所示，按下门铃按钮过程磁铁靠近螺线管，松开门铃按钮磁铁远离螺线管回归原位置．下列说法正确的是(　　)
A．按下按钮过程，螺线管P端电势较高B．松开按钮过程，螺线管Q端电势较高C．按住按钮不动，螺线管没有产生感应电动势D．按下和松开按钮过程，螺线管产生大小相同的感应电动势
解析：按下按钮过程，穿过螺线管的磁通量向左增大，根据楞次定律可知螺线管中感应电流为从P端流入从Q端流出，螺线管充当电源，则Q端电势较高，故A错误；松开按钮过程，穿过螺线管的磁通量向左减小，根据楞次定律可知螺线管中感应电流为从Q端流入，从P端流出，螺线管充当电源，则P端电势较高，故B错误；按住按钮不动，穿过螺线管的磁通量不变，螺线管不会产生感应电动势，故C正确；按下和松开按钮过程，螺线管中磁通量的变化率不一定相同，故螺线管产生的感应电动势不一定相同，故D错误．故选C.
磁电式仪表的基本组成部分是磁铁和线圈．缠绕线圈的骨架常用铝框，铝框、指针固定在同一转轴上．线圈未通电时，指针竖直指在表盘中央；线圈通电时发生转动，指针随之偏转，由此就能确定电流的大小．如图所示，线圈通电时指针向右偏转，在此过程中，下列说法正确的是(　　)
A．俯视看线圈中通有逆时针方向的电流B．穿过铝框的磁通量减少C．俯视看铝框中产生顺时针方向的感应电流D．使用铝框做线圈骨架能够尽快使表针停在某一刻度处
解析：由左手定则可知，俯视看线圈中通有顺时针方向的电流，选项A错误；因为线圈在水平位置时磁通量为零，则线圈转动时，穿过铝框的磁通量向左增加，根据楞次定律可知，俯视看铝框中产生逆时针方向的感应电流，选项B、C错误；当铝框中产生感应电流时，铝框受到的安培力与运动方向相反，故起到了阻尼作用，则使用铝框做线圈骨架能够尽快使表针停在某一刻度处，故D正确．故选D.
1．如图1所示，将线圈套在长玻璃管上，线圈的两端与电流传感器(可看作理想电流表)相连．将强磁铁从长玻璃管上端由静止释放，磁铁下落过程中将穿过线圈．实验观察到如图2所示的感应电流随时间变化的图像．下列说法正确的是(　　)
A．t1～t3时间内，磁铁受到线圈的作用力方向先向上后向下B．若将磁铁两极翻转后重复实验，将先产生负向感应电流，后产生正向感应电流C．若将线圈的匝数加倍，线圈中产生的电流峰值也将加倍D．若将线圈到玻璃管上端的距离加倍，线圈中产生的电流峰值也将加倍
2．某中学的一教室墙上有一扇朝南的平开玻璃窗，窗扇由有机玻璃加闭合矩形金属边框构成，如图所示，窗扇一侧由铰链固定在绝缘窗框(图中未画出)上，另一侧装有开窗手柄，某同学站在室内面向窗户水平推动手柄，让窗户匀速转动，将窗向外(南)推开(开角小于90°)的过程中，下列说法正确的是(　　)
A．穿过矩形窗扇的地磁场的磁通量不断变大B．穿过矩形窗扇的地磁场的磁通量始终为零C．窗扇金属边框中的感应电流的大小在不断变大D．从推窗者的角度看，窗扇金属边框中的感应电流方向是顺时针方向
解析：地磁场由南向北，当朝南的钢窗向外推开后，钢窗平面与磁场平行时，没有磁感线穿过钢窗平面，穿过钢窗的磁通量为0，推窗时穿过窗框的磁通量减小，窗扇金属边框中的感应电流的大小在不断变大，根据楞次定律，从推窗人的角度看，窗框中产生的感应电流的方向为逆时针，C正确，A、B、D错误．故选C.
命题点二　法拉第电磁感应定律的理解和应用1．磁通量发生变化的三种情况．
2．求解感应电动势的常见情况与方法．
(2022·河北卷)将一根绝缘硬质细导线顺次绕成如图所示的线圈，其中大圆面积为S1，小圆面积均为S2，垂直线圈平面方向有一随时间t变化的磁场，磁感应强度大小B＝B0＋kt，B0和k均为常量，则线圈中总的感应电动势大小为(　　)
A．kS1 B．5kS2C．k(S1－5S2) D．k(S1＋5S2)
2．某风速实验装置由风杯组系统(甲图)和电磁信号产生系统(乙图)两部分组成．电磁信号产生器由圆形匀强磁场和固定于风轮转轴上的导体棒OA组成(O点连接风轮转轴)，磁场半径为L，磁感应强度大小为B，方向垂直纸面向里，导体棒OA长为1.5L，电阻为r，风推动风杯组绕水平轴顺时针匀速转动，风杯中心到转轴距离为2L，导体棒每转一周A端与弹性簧片接触一次，接触时产生的电流强度恒为I.图中电阻为R，其余电阻不计．求：
(1)当导体棒与弹性簧片接触时，OA两端电势差UOA；(2)风杯的速率v.
命题点三　电磁感应中的图像问题解决此类问题的一般步骤．1．明确图像的类型，是B-t图像、Φ-t图像、E-t图像还是I-t图像等；2．分析电磁感应的具体过程，合理分段、选取典型过程；根据法拉第电磁感应定律分析电动势大小，由楞次定律分析感应电流(或感应电动势)方向；3．由欧姆定律、牛顿运动定律等规律写出函数方程；根据函数方程进行数学分析，例如分析斜率的变化、截距等；4．画图像或判断图像．
(多选)(2022·河北卷)如图，两光滑导轨水平放置在竖直向下的匀强磁场中，一根导轨位于x轴上，另一根由ab、bc、cd三段直导轨组成，其中bc段与x轴平行，导轨左端接入一电阻R.导轨上一金属棒MN沿x轴正向以速度v0保持匀速运动，t＝0时刻通过坐标原点O，金属棒始终与x轴垂直．设运动过程中通过电阻的电流强度为i，金属棒受到安培力的大小为F，金属棒克服安培力做功的功率为P，电阻两端的电压为U，导轨与金属棒接触良好，忽略导轨与金属棒的电阻．下列图像可能正确的是(　　)
A　　　　　　 　B  C D
1．如图所示，两条平行虚线之间存在匀强磁场，虚线间的距离为l，磁场方向垂直纸面向里，abcd是位于纸面内的梯形线圈，ad与bc间的距离也为l，t＝0时刻，bc边与磁场区域左边界重合．现令线圈以向右的恒定速度v沿垂直于磁场区域边界的方向穿过磁场区域，取沿a→b→c→d→a方向的感应电流为正方向，则在线圈穿越磁场区域的过程中，感应电流I随时间t变化的图线是(　　)
A　　　　　　　　B C D
解析：开始时bc边进入磁场切割磁感线，有效切割长度越来越长，根据感应电动势大小公式E＝Blv可得，有效切割长度越来越长，感应电动势增大，故感应电流越来越大，根据右手定则可知，电流方向为a→d→c→b→a，即为负方向；当bc边开始出磁场时，切割长度越来越长，根据感应电动势大小公式E＝Blv可得，切割长度越来越长，感应电动势增大，故感应电流越来越大，当bc边开始出磁场时，回路中磁通量减小，电流方向为a→b→c→d→a，方向为正方向．故选B.
2．如图1所示，将一金属圆环用绝缘细线悬挂起来，圆环的下半部分处在垂直于圆环平面的水平匀强磁场之中，磁场的磁感应强度B随时间t变化的关系图线如图2所示，规定垂直纸面向里为正方向．金属圆环始终保持静止，则下列图像中可能正确反映细线中张力T随时间t变化情况的是(　　)
A B C D
解析：磁感应强度在0～1 s内，由于磁感应强度垂直纸面向里为正方向，则磁场垂直纸面向里且大小均匀增大，所以由楞次定律可得线圈感应电流是逆时针，根据左手定则判断出圆环的下半部分所受安培力的方向向上，根据法拉第电磁感应定律得线圈感应电流是不变的，线框受重力、拉力和安培力，根据平衡条件得细线的拉力T＝mg－F安＝mg－BIL由于磁感应强度B随时间均匀增大，所以圆环的下半部分所受安培力均匀增大，所以细线的拉力F随时间均匀减小，选项B、C、D错误；磁感应强度在1～2 s内，磁场不变，则没有感应电流，细线的拉力T＝mg而磁感应强度在2～3 s内，磁感应强度B垂直纸面向里且随时间均匀减小，同理可知感应电流方向为顺时针，圆环的下半部分所受安培力的方向向下，所以细线的拉力T＝mg＋F安＝mg＋BIL由于磁感应强度
B随时间均匀减小，所以圆环的下半部分所受安培力均匀减小，所以细线的拉力F随时间均匀减小；磁感应强度在3～4 s内，磁感应强度B垂直纸面向外且随时间均匀增大，感应电流方向为顺时针，圆环的下半部分所受安培力的方向向上，所以细线的拉力T＝mg－F安＝mg－BIL由于磁感应强度B随时间均匀增大，所以圆环的下半部分所受安培力均匀增大，所以细线的拉力F随时间均匀减小．选项A正确．故选A.
3．(多选)(2022·广东江门市一模)在绝缘的水平桌面上固定有MN、PQ两根平行的光滑金属导轨，导轨间距为l，电阻相同的金属棒ab和cd垂直放在导轨上，两棒正中间用一根长为l的绝缘细线相连，棒ab右侧有磁感应强度大小相等的匀强磁场Ⅰ、Ⅱ，宽度也为l，磁场方向均垂直导轨，整个装置的俯视图如图所示．从图示位置在棒ab上加水平拉力，使金属棒ab和cd向右匀速穿过磁场区域，则金属棒ab中感应电流i和绝缘细线上的张力大小F随时间t变化的图像，可能正确的是(规定金属棒ab中电流方向由a到b为正)(　　)
A B C D
命题点四　电磁感应中的动力学问题1．两种状态及处理方法．
2.抓住力学对象和电学对象间的桥梁——感应电流I和切割速度v，“四步法”分析电磁感应中的动力学问题．
为了提高城市摩天大楼中电梯的运行效率并缩短候梯时间，人们设计了一种电磁驱动的无绳电梯，如图甲．图乙所示为电磁驱动的简化模型：光滑的平行长直金属导轨置于竖直面内，间距L＝1 m．导轨下端接有阻值R＝1 Ω的电阻，质量m＝0.1 kg的导体棒(相当于电梯车厢)垂直跨接在导轨上，导轨和导体棒的电阻均不计，且接触良好．在导轨平面上存在磁感应强度大小B＝0.5 T，方向垂直纸面向里的匀强磁场，导体棒始终处于磁场区域内，g取10 m/s2.t＝0时刻，磁场以速度v1＝10 m/s速度匀速向上移动的同时静止释放该导体棒．
(1)求t＝0时刻导体棒的加速度大小；(2)若导体棒随之运动并很快达到一个恒定速度，求该恒定速度的大小．
解得此时回路中的电流为I2＝2 A，由电磁感应定律可得E2＝BLv2，解得v2＝4 m/s.由电磁感应定律可知，v2是导体棒相对磁场的运动速度，则有导体棒的恒定速度为v＝v1－v2＝10 m/s－4 m/s＝6 m/s.
答案：(1)a＝15 m/s2　(2)v＝6 m/s
(多选)(2022·全国甲卷)如图，两根相互平行的光滑长直金属导轨固定在水平绝缘桌面上，在导轨的左端接入电容为C的电容器和阻值为R的电阻．质量为m、阻值也为R的导体棒MN静止于导轨上，与导轨垂直，且接触良好，导轨电阻忽略不计，整个系统处于方向竖直向下的匀强磁场中．开始时，电容器所带的电荷量为Q，合上开关S后，(　　)
(2022·佛山二模)下图是一种矿井直线电机提升系统的原理图，在同一竖直平面的左右两边条形区域内，有垂直平面向里和向外交替的匀强磁场，每块磁场区域的高度均为L、磁感应强度大小均为B.梯箱左右两边通过绝缘支架均固定有边长为L、匝数为n、总电阻为R的正方形导线框，线框平面与磁场垂直，上下两边水平．导线框、支架以及梯箱等的总质量为M.电机起动后两边磁场均以速度v沿竖直轨道向上匀速运动．忽略一切阻力，梯箱正常运行时防坠落装置与轨道间没有相互作用．求：(1)电机从图示位置启动，此时导线框ABCD；①相对磁场的运动方向；②哪条边会产生感应电动势；③感应电流的方向；
解析：(1)①由于电机起动后两边磁场均以速度v沿竖直轨道向上匀速运动，则导体框相对磁场向下运动；②则线框中AB边、CD边均切割磁感线，故线框中AB边、CD边会产生感应电动势；③根据楞次定律可知线框中有逆时针(或ADCBA方向的感应电流)．
命题点五　电磁感应中动量、能量问题1．能量转化及焦耳热的求法．(1)能量转化．
(2)求解焦耳热的三种方法．
2．用“三大观点”解决电磁感应问题．
随着航空领域的发展，实现火箭回收利用，成为了各国都在重点突破的技术．其中有一技术难题是回收时如何减缓对地的碰撞，为此设计师在返回火箭的底盘安装了电磁缓冲装置．该装置的主要部件有两部分：①缓冲滑块，由高强绝缘材料制成，其内部边缘绕有闭合单匝矩形线圈abcd；②火箭主体，包括绝缘光滑缓冲轨道MN、PQ和超导线圈(图中未画出)，超导线圈能产生方向垂直于整个缓冲轨道平面的匀强磁场．当缓冲滑块接触地面时，滑块立即停止运动，此后线圈与火箭主体中的磁场相互作用，火箭主体一直做减速运动直至达到软着陆要求的速度，从而实现缓冲．现已知缓冲滑块竖直向下撞向地面时，火箭主体的速度大小为v0，经过时间t火箭着陆，
速度恰好为零；线圈abcd的电阻为R，其余电阻忽略不计；ab边长为l，火箭主体质量为m，匀强磁场的磁感应强度大小为B，重力加速度为g，一切摩擦阻力不计，求：
(1)缓冲滑块刚停止运动时，线圈产生的电动势；(2)缓冲滑块刚停止运动时，火箭主体的加速度大小；(3)火箭主体的速度从v0减到零的过程中系统产生的电能．
(2022·浙江卷)如图所示是列车进站时利用电磁阻尼辅助刹车示意图，在车身下方固定一矩形线框abcd，ab边长为l，bc边长为d，在站台轨道上存在方向竖直向上、磁感应强度大小为B的有界匀强磁场MNPQ，MN边界与ab平行，区域长为d.若ab边刚进入磁场时列车关闭发动力，此时的速度大小为v0，已知线框总电阻为R，列车的总质量为m，摩擦阻力是车重的k倍，不计空气阻力，重力加速度为g.
1．(2022·全国乙卷)如图，一不可伸长的细绳的上端固定，下端系在边长为l＝0.40 m的正方形金属框的一个顶点上．金属框的一条对角线水平，其下方有方向垂直于金属框所在平面的匀强磁场．已知构成金属框的导线单位长度的阻值为λ＝5.0×10－3 Ω/m；在t＝0到t＝3.0 s时间内，磁感应强度大小随时间t的变化关系为B(t)＝0.3－0.1t(SI)．求：
(1)t＝2.0 s时金属框所受安培力的大小；(2)在t＝0到t＝2.0 s时间内金属框产生的焦耳热．
(1)导体棒a从Q1Q2进入磁场时，导体棒b的加速度为多少？(2)导体棒a、b稳定时的速度为多少？(3)整个过程中，通过导体棒b的电荷量为多少？
(2)当a、b导体棒稳定时，由动量守恒定律得mav0＝(ma＋mb)v1，代入数据得v1＝2 m/s.(3)整个过程中，对b导体棒由动量定理得BLIt＝BLq＝mbv1，代入数据得q＝2 C.
答案：(1)2 m/s2　(2)2 m/s　(3)2 C
3．如图所示，光滑绝缘斜面与水平面的夹角θ＝30°，斜面所在空间存在两个相邻且互不影响的有界匀强磁场Ⅰ、Ⅱ，磁场边界水平，两磁场的磁感应强度方向相反，且与斜面垂直，大小均为B＝1 T，宽度均为L＝0.3 m．现有一边长也为L，电阻R＝0.1 Ω的正方形闭合导线框abcd从距磁场Ⅰ上边界线x＝0.4 m处由静止释放，已知线框ab边刚进入磁场Ⅰ时恰好做匀速直线运动，进入磁场Ⅱ区域后经一段时间后，在ab边未出磁场Ⅱ区域下边界之前又做匀速直线运动，整个线框在穿过磁场Ⅰ区域的过程中边始终水平，g取10 m/s2，求：
(1)导线框abcd的质量m；(2)导线框从开始运动到ab边刚到达磁场Ⅱ下边界线过程中线框产生的内能Q；(3)导线框从开始运动到ab边刚到达磁场Ⅱ下边界线过程中运动的总时间t.
命题点六　电磁波的产生、发射与接收1．麦克斯韦电磁场理论：变化的磁场产生电场，变化的电场产生磁场．2．电磁波：电磁场在空间由近及远的传播形成电磁波．(1)电磁波在空间传播不需要介质．(2)真空中电磁波的速度为3.0×108 m/s.(3)电磁波是横波，满足关系v＝λf.(4)不同频率的电磁波，在同一介质中传播，频率越高，波速越小．
3．电磁波的发射．(1)发射条件：开放电路和高频振荡信号．(2)调制方式：①调幅：使高频电磁波的振幅随信号的强弱而变．②调频：使高频电磁波的频率随信号的强弱而变．4．电磁波的接收．(1)电谐振：当接收电路的固有频率跟接收到的无线电波的频率相等时，激起的振荡电流最强，这就是电谐振，产生电谐振的过程叫作调谐．(2)解调：从接收到的高频电磁波中还原出所携带的信号波的方法．
5．电磁波谱．(1)按波长从长到短排列电磁波谱：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线．(2)电磁波的特点与应用：
使用蓝牙耳机接听手机来电，信号传输示意图如图所示．蓝牙通信的电磁波(　　)A．是蓝光B．波长比手机通信的电磁波短C．在真空中的传播速度大小为340 m/sD．在真空中的传播速度比手机通信的电磁波速度小
解析：蓝牙通信用的电磁波不在可见光频率范围内，不是光信号．故A错误；蓝牙通信比手机通信的电磁波频率高，波长短．故B正确；电磁波在真空中的传播速度约为3×108 m/s.故C错误；蓝牙通信和手机通信使用的都是电磁波，在真空中传播速度相同．故D错误．故选B.
在抗击新冠疫情期间，流畅稳定的网络信号是保证同学们学习效果的关键，网络信号的稳定传输通常需要用到光纤和Wi-Fi无线路由器，下列表述正确的是(　　)
A．光纤通讯利用光纤来传输包含信息的电流信号B．光纤通讯利用光的全反射原理传输包含信息的光信号C．Wi-Fi无线路由器发射包含信息的超声波信号D．Wi-Fi无线信号可以绕过障碍物传播是利用了波的干涉原理
解析：光纤通讯利用光的全反射原理传输包含信息的光信号，故A错误B正确；Wi-Fi无线路由器发射包含信息的电磁波信号，故C错误；Wi-Fi无线信号可以绕过障碍物传播是利用了波的衍射原理，故D错误；故选B.
1．电磁波在空气中的传播速度为3×108 m/s，某广播电台能够发射波长为50 m的无线电波，那么收音机接收这个电台时调谐的频率应工作在(　　)A．150 MHz B．500 MHzC．6.0 MHz D．3.0 MHz
2．雷达是利用无线电波的定位系统，海豚也具有完善的声呐系统．它能在黑暗的海水中准确而快速地捕捉食物，避开敌害，远远优于现代无线电定位系统它们的定位分别是利用自身发射的(　　)A．电磁波、次声波 B．电磁波、红外线C．次声波、红外线 D．无线电波、超声波
解析：雷达是利用无线电波中的微波来反射来测定物体位置的，海豚的声呐系统，是用超声波来进行回声定位的，故D正确．故选D.
3．(多选)在电磁波的发射过程中，用一平行板电容器C和一个线圈L组成LC振荡电路，要增大发射电磁波的波长，下列调节正确的是(　　)A．增大电容器两极板间的距离B．增大线圈的匝数．在线圈中加铁芯C．把电容器的动片适当旋出一些D．把电容器的动片适当旋进一些
可知，可以减小极板的距离、增加正对面积、插入电介质，增加自感系数，可以增大线圈的匝数．在线圈中加铁芯，故A、C错误，B、D正确．故选B、D.