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新教材适用2024版高考物理一轮总复习第11章电磁感应第3讲电磁感应的综合应用课件
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这是一份新教材适用2024版高考物理一轮总复习第11章电磁感应第3讲电磁感应的综合应用课件，共60页。PPT课件主要包含了知识梳理·双基自测，核心考点·重点突破，年高考·1年模拟，磁通量，金属棒的ab部分，逆时针，aOb，机械能，其他形式，名师点拨等内容，欢迎下载使用。
第3讲 电磁感应的综合应用
1．电源：切割磁感线运动的导体或_________发生变化的回路相当于电源。2．电流：电路闭合时的电流I可由欧姆定律求出，I＝___，路端电压U＝______＝E－Ir。3．电势：在外电路中，电流由___电势流向___电势；在内电路中，电流由___电势流向___电势。
思考：如图所示，MON是固定导轨，金属棒与导轨接触良好，在拉力F作用下向右运动。
(1)图中电路相当于电源的部分是________________________。(2)闭合电路中的感应电流方向沿_________方向。(3)路端电压是闭合电路外电路的电压，等于该图中_________部分电路的电压。
2．安培力的方向(1)用左手定则判断：先用______定则判断感应电流的方向，再用左手定则判定安培力的方向。(2)用楞次定律判断：安培力的方向一定与导体切割磁感线的运动方向______(选填“相同”或“相反”)。
1．能量转化：感应电流在磁场中受安培力，外力克服安培力做功，将________转化为______，电流做功再将电能转化为___________的能。2．转化实质：电磁感应现象的能量转化，实质是其他形式的能与 ______之间的转化。
一、堵点疏通1．在电磁感应电路中，产生电流的那部分导体相当于电源。( )2．安培力做正功的过程是将电能转化为机械能的过程。( )3．物体克服安培力做功的过程是将其他形式的能量转化为电能的过程。( )
二、对点激活1．(2023·江苏盐城高三模拟)如图甲所示，一矩形线圈置于匀强磁场中，线圈平面与磁场方向垂直，磁场的磁感应强度随时间变化的规律如图乙所示。则线圈中产生的感应电动势的情况为( )A．t1时刻感应电动势最大B．t＝0时刻感应电动势为零C．t2时刻感应电动势为零D．t1～t2时间内感应电动势增大
1．题型简述借助图像考查电磁感应的规律，一直是高考的热点，此类题目一般分为两类：(1)由给定的电磁感应过程选出正确的图像；(2)由给定的图像分析电磁感应过程，定性或定量求解相应的物理量或推断出其他图像。常见的图像有B—t图、E—t图、i—t图、v—t图及F—t图等。
2．解题关键弄清初始条件、正负方向的对应变化范围、所研究物理量的函数表达式、进出磁场的转折点等是解决此类问题的关键。3．解题步骤(1)明确图像的种类，即是B—t图还是Φ—t图，或者E—t图、I—t图等；(2)分析电磁感应的具体过程；
(3)用右手定则或楞次定律确定方向的对应关系；(4)结合法拉第电磁感应定律、闭合电路欧姆定律、牛顿运动定律等知识写出相应的函数关系式；(5)根据函数关系式，进行数学分析，如分析斜率的变化、截距等；(6)画图像或判断图像。
4．常用方法(1)排除法：定性地分析电磁感应过程中物理量的变化趋势(增大还是减小)、变化快慢(均匀变化还是非均匀变化)。特别是分析物理量的正负，以排除错误的选项。(2)函数法：根据题目所给条件定量地写出两个物理量之间的函数关系，然后由函数关系对图像进行分析和判断。
类型(一) 感生问题 如图甲所示，在线圈l1中通入电流i1后，在l2上产生的感应电流随时间变化的规律如图乙所示，l1、l2中电流的正方向如图甲中的箭头所示。则通入线圈l1中的电流i1随时间t变化的图像是下图中的( )
A B
C D
Φ—t图像的斜率表示感应电动势，斜率的大小表示电动势大小，斜率的正负表示电动势的方向，但斜率为正，并不表示电动势方向与B的正方向相同。
类型(二) 动生问题 (2023·广东高三开学考试)如图所示，有一个平行边界的匀强磁场区域，宽度为L，磁场方向垂直纸面向外，一对角线长为L的正方形导线框ABCD从图示位置开始沿x轴正方向匀速穿过磁场区域。取沿A→B→C→D→A的方向为感应电流的正方向，则导线框ABCD中电流i随A点的位置坐标x变化的图像正确的是( )
A B
C D
在电磁感应过程中，切割磁感线的导体或磁通量发生变化的回路将产生感应电动势，该导体或回路相当于电源，该导体或回路的电阻相当于电源的内阻。因此，电磁感应问题往往又和电路问题联系在一起。解决此类问题的基本思想是将电磁感应问题转化为直流电路的分析与计算问题。基本思路：(1)用法拉第电磁感应定律和楞次定律确定感应电动势的大小和方向；(2)弄清电路结构，必要时画出等效电路图；(3)运用欧姆定律、串并联电路规律等求解路端电压、电功率等问题。
类型(一) 变化磁场的电路问题 (多选)(2023·山西高三月考)在如图甲所示的虚线框内有匀强磁场，设图甲所示磁场方向为正，磁感应强度随时间的变化规律如图乙所示。边长为l、电阻为R的正方形均匀线框abcd有一半处在磁场中，磁场方向垂直于线框平面，此时线框ab边的发热功率为P，则( )
类型(二) 棒切割的电路问题 (2022·安徽高三期末)如图所示，由粗细均匀的电阻丝制成的边长为l的正方形线框abcd，其总电阻为R，现使线框以水平向右的速度v匀速穿过一宽度为2l、磁感应强度为B的匀强磁场区域，整个过程中ab、cd两边始终保持与磁场边界平行。令线框的 cd边刚好与磁场左边界重合时t＝0，规定电流方 向沿顺时针为正，U0＝Blv。线框中电流及a、b 两点间电势差Uab随线框cd边的位移x变化的图像 正确的是( )
A B C D
电磁感应现象中产生的感应电流在磁场中受到安培力的作用，从而影响导体棒(或线圈)的受力情况和运动情况。1．导体的两种运动状态(1)导体的平衡状态——静止状态或匀速直线运动状态。(2)导体的非平衡状态——加速度不为零。
2．处理方法根据牛顿第二定律进行动态分析或结合功能关系分析。3．导体的运动分析流程
类型(一) 收尾状态为平衡态 (多选)(2023·河北高三月考)如图所示，足够长的两平行光滑金属导轨间的距离L＝0.6 m，导轨所在的平面与水平面夹角θ＝37°，在导轨所在平面内分布着磁感应强度B＝0.5 T，方向垂直于导轨平面的匀强磁场。两导轨上端接有一额定电压U＝3.6 V的小灯泡。现把一质量m＝0.1 kg的金属棒ab垂直放置在导轨上由静止释放，当金属棒达到最大速度时小灯泡恰好正常发光，金属棒运动过程中始终与导轨垂直且接触良好。金属棒和导轨电阻不计，g取10 m/s2，sin 37°＝0.6，cs 37°＝0.8。则下列说法正确的是( )
A．通过金属棒ab的电流方向从a到bB．金属棒运动过程中的最大速度为12 m/sC．小灯泡正常发光时的电阻值为2.0 ΩD．小灯泡的额定功率为7.2 W
类型(二) 收尾状态为非平衡态 (2023·北京101中学高三开学考试)如图所示，U形金属框架竖直放置在绝缘地面上，框架的上端接有一电容器C，金属框架处于水平方向的匀强磁场中。将一电阻为R的金属棒MN从一定高度处由静止释放，下落过程中金属棒方向始终平行于地面，且与金属框架接触良好。忽略金属棒与金属框架之间的摩擦，在金属棒由静止开始下落的过程中，以下说法正确的是( )
A．电容器左侧极板将带上正电荷B．金属棒下落过程中可能匀速运动C．金属棒克服安培力所做的功等于金属棒生的热D．金属棒克服安培力所做的功等于金属棒机械能的损失
由功能关系可知，金属棒克服安培力做功，将机械能转化为电能，故金属棒克服安培力所做的功等于金属棒机械能的损失，D正确；由能量关系可知，金属棒减少的机械能转化为电容器储存的电能以及金属棒上电阻产生焦耳热，金属棒克服安培力所做的功大于金属棒生的热，C错误。
电能的求解思路(纯电阻电路)
如图所示，光滑且足够长的平行金属导轨MN、PQ固定在竖直平面内，两导轨间的距离为L＝1 m，导轨间连接的定值电阻R＝3 Ω。导轨上放一质量为m＝0.1 kg的金属杆ab，金属杆始终与导轨接触良好，杆的电阻r＝1 Ω，其余电阻不计。整个装置处于磁感应强度为B＝1 T的匀强磁场中，磁场的方向垂直导轨平面向里。重力加速度g取10 m/s2。现让金属杆从AB水平位置由静止释放。
(1)求金属杆的最大速度；(2)当金属杆的加速度是5 m/s2时，安培力的功率是多大？(3)若从金属杆开始下落到刚好达到最大速度的过程中，电阻R上产生的焦耳热Q＝0.6 J，则通过电阻R的电荷量是多少？
[答案] (1)4 m/s (2)1 W (3)0.4 C
2．(多选)(2022·湖南卷)如图，间距L＝1 m的U形金属导轨，一端接有0.1 Ω的定值电阻R，固定在高h＝0.8 m的绝缘水平桌面上。质量均为0.1 kg的匀质导体棒a和b静止在导轨上，两导体棒与导轨接触良好且始终与导轨垂直，接入电路的阻值均为0.1 Ω，与导轨间的动摩擦因数均为0.1(设最大静摩擦力等于滑动摩擦力)，导体棒a距离导轨最右端1.74 m。整个空间存在竖直向下的匀强磁场(图中未画出)，磁感应强度大小为0.1 T。用F＝0.5 N沿导轨水平向右的恒力拉导体棒a，当导体棒a运动到导轨最右端时，导体棒b刚要滑动，撤去F，导体棒a离开导轨后落到水平地面上。重力加速度取10 m/s2，不计空气阻力，不计其他电阻，下列说法正确的是( )
A．导体棒a离开导轨至落地过程中，水平位移为0.6 mB．导体棒a离开导轨至落地前，其感应电动势不变C．导体棒a在导轨上运动的过程中，导体棒b有向右运动的趋势D．导体棒a在导轨上运动的过程中，通过电阻R的电荷量为0.58 C
3．(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
第3讲 电磁感应的综合应用
1．电源：切割磁感线运动的导体或_________发生变化的回路相当于电源。2．电流：电路闭合时的电流I可由欧姆定律求出，I＝___，路端电压U＝______＝E－Ir。3．电势：在外电路中，电流由___电势流向___电势；在内电路中，电流由___电势流向___电势。
思考：如图所示，MON是固定导轨，金属棒与导轨接触良好，在拉力F作用下向右运动。
(1)图中电路相当于电源的部分是________________________。(2)闭合电路中的感应电流方向沿_________方向。(3)路端电压是闭合电路外电路的电压，等于该图中_________部分电路的电压。
2．安培力的方向(1)用左手定则判断：先用______定则判断感应电流的方向，再用左手定则判定安培力的方向。(2)用楞次定律判断：安培力的方向一定与导体切割磁感线的运动方向______(选填“相同”或“相反”)。
1．能量转化：感应电流在磁场中受安培力，外力克服安培力做功，将________转化为______，电流做功再将电能转化为___________的能。2．转化实质：电磁感应现象的能量转化，实质是其他形式的能与 ______之间的转化。
一、堵点疏通1．在电磁感应电路中，产生电流的那部分导体相当于电源。( )2．安培力做正功的过程是将电能转化为机械能的过程。( )3．物体克服安培力做功的过程是将其他形式的能量转化为电能的过程。( )
二、对点激活1．(2023·江苏盐城高三模拟)如图甲所示，一矩形线圈置于匀强磁场中，线圈平面与磁场方向垂直，磁场的磁感应强度随时间变化的规律如图乙所示。则线圈中产生的感应电动势的情况为( )A．t1时刻感应电动势最大B．t＝0时刻感应电动势为零C．t2时刻感应电动势为零D．t1～t2时间内感应电动势增大
1．题型简述借助图像考查电磁感应的规律，一直是高考的热点，此类题目一般分为两类：(1)由给定的电磁感应过程选出正确的图像；(2)由给定的图像分析电磁感应过程，定性或定量求解相应的物理量或推断出其他图像。常见的图像有B—t图、E—t图、i—t图、v—t图及F—t图等。
2．解题关键弄清初始条件、正负方向的对应变化范围、所研究物理量的函数表达式、进出磁场的转折点等是解决此类问题的关键。3．解题步骤(1)明确图像的种类，即是B—t图还是Φ—t图，或者E—t图、I—t图等；(2)分析电磁感应的具体过程；
(3)用右手定则或楞次定律确定方向的对应关系；(4)结合法拉第电磁感应定律、闭合电路欧姆定律、牛顿运动定律等知识写出相应的函数关系式；(5)根据函数关系式，进行数学分析，如分析斜率的变化、截距等；(6)画图像或判断图像。
4．常用方法(1)排除法：定性地分析电磁感应过程中物理量的变化趋势(增大还是减小)、变化快慢(均匀变化还是非均匀变化)。特别是分析物理量的正负，以排除错误的选项。(2)函数法：根据题目所给条件定量地写出两个物理量之间的函数关系，然后由函数关系对图像进行分析和判断。
类型(一) 感生问题 如图甲所示，在线圈l1中通入电流i1后，在l2上产生的感应电流随时间变化的规律如图乙所示，l1、l2中电流的正方向如图甲中的箭头所示。则通入线圈l1中的电流i1随时间t变化的图像是下图中的( )
A B
C D
Φ—t图像的斜率表示感应电动势，斜率的大小表示电动势大小，斜率的正负表示电动势的方向，但斜率为正，并不表示电动势方向与B的正方向相同。
类型(二) 动生问题 (2023·广东高三开学考试)如图所示，有一个平行边界的匀强磁场区域，宽度为L，磁场方向垂直纸面向外，一对角线长为L的正方形导线框ABCD从图示位置开始沿x轴正方向匀速穿过磁场区域。取沿A→B→C→D→A的方向为感应电流的正方向，则导线框ABCD中电流i随A点的位置坐标x变化的图像正确的是( )
A B
C D
在电磁感应过程中，切割磁感线的导体或磁通量发生变化的回路将产生感应电动势，该导体或回路相当于电源，该导体或回路的电阻相当于电源的内阻。因此，电磁感应问题往往又和电路问题联系在一起。解决此类问题的基本思想是将电磁感应问题转化为直流电路的分析与计算问题。基本思路：(1)用法拉第电磁感应定律和楞次定律确定感应电动势的大小和方向；(2)弄清电路结构，必要时画出等效电路图；(3)运用欧姆定律、串并联电路规律等求解路端电压、电功率等问题。
类型(一) 变化磁场的电路问题 (多选)(2023·山西高三月考)在如图甲所示的虚线框内有匀强磁场，设图甲所示磁场方向为正，磁感应强度随时间的变化规律如图乙所示。边长为l、电阻为R的正方形均匀线框abcd有一半处在磁场中，磁场方向垂直于线框平面，此时线框ab边的发热功率为P，则( )
类型(二) 棒切割的电路问题 (2022·安徽高三期末)如图所示，由粗细均匀的电阻丝制成的边长为l的正方形线框abcd，其总电阻为R，现使线框以水平向右的速度v匀速穿过一宽度为2l、磁感应强度为B的匀强磁场区域，整个过程中ab、cd两边始终保持与磁场边界平行。令线框的 cd边刚好与磁场左边界重合时t＝0，规定电流方 向沿顺时针为正，U0＝Blv。线框中电流及a、b 两点间电势差Uab随线框cd边的位移x变化的图像 正确的是( )
A B C D
电磁感应现象中产生的感应电流在磁场中受到安培力的作用，从而影响导体棒(或线圈)的受力情况和运动情况。1．导体的两种运动状态(1)导体的平衡状态——静止状态或匀速直线运动状态。(2)导体的非平衡状态——加速度不为零。
2．处理方法根据牛顿第二定律进行动态分析或结合功能关系分析。3．导体的运动分析流程
类型(一) 收尾状态为平衡态 (多选)(2023·河北高三月考)如图所示，足够长的两平行光滑金属导轨间的距离L＝0.6 m，导轨所在的平面与水平面夹角θ＝37°，在导轨所在平面内分布着磁感应强度B＝0.5 T，方向垂直于导轨平面的匀强磁场。两导轨上端接有一额定电压U＝3.6 V的小灯泡。现把一质量m＝0.1 kg的金属棒ab垂直放置在导轨上由静止释放，当金属棒达到最大速度时小灯泡恰好正常发光，金属棒运动过程中始终与导轨垂直且接触良好。金属棒和导轨电阻不计，g取10 m/s2，sin 37°＝0.6，cs 37°＝0.8。则下列说法正确的是( )
A．通过金属棒ab的电流方向从a到bB．金属棒运动过程中的最大速度为12 m/sC．小灯泡正常发光时的电阻值为2.0 ΩD．小灯泡的额定功率为7.2 W
类型(二) 收尾状态为非平衡态 (2023·北京101中学高三开学考试)如图所示，U形金属框架竖直放置在绝缘地面上，框架的上端接有一电容器C，金属框架处于水平方向的匀强磁场中。将一电阻为R的金属棒MN从一定高度处由静止释放，下落过程中金属棒方向始终平行于地面，且与金属框架接触良好。忽略金属棒与金属框架之间的摩擦，在金属棒由静止开始下落的过程中，以下说法正确的是( )
A．电容器左侧极板将带上正电荷B．金属棒下落过程中可能匀速运动C．金属棒克服安培力所做的功等于金属棒生的热D．金属棒克服安培力所做的功等于金属棒机械能的损失
由功能关系可知，金属棒克服安培力做功，将机械能转化为电能，故金属棒克服安培力所做的功等于金属棒机械能的损失，D正确；由能量关系可知，金属棒减少的机械能转化为电容器储存的电能以及金属棒上电阻产生焦耳热，金属棒克服安培力所做的功大于金属棒生的热，C错误。
电能的求解思路(纯电阻电路)
如图所示，光滑且足够长的平行金属导轨MN、PQ固定在竖直平面内，两导轨间的距离为L＝1 m，导轨间连接的定值电阻R＝3 Ω。导轨上放一质量为m＝0.1 kg的金属杆ab，金属杆始终与导轨接触良好，杆的电阻r＝1 Ω，其余电阻不计。整个装置处于磁感应强度为B＝1 T的匀强磁场中，磁场的方向垂直导轨平面向里。重力加速度g取10 m/s2。现让金属杆从AB水平位置由静止释放。
(1)求金属杆的最大速度；(2)当金属杆的加速度是5 m/s2时，安培力的功率是多大？(3)若从金属杆开始下落到刚好达到最大速度的过程中，电阻R上产生的焦耳热Q＝0.6 J，则通过电阻R的电荷量是多少？
[答案] (1)4 m/s (2)1 W (3)0.4 C
2．(多选)(2022·湖南卷)如图，间距L＝1 m的U形金属导轨，一端接有0.1 Ω的定值电阻R，固定在高h＝0.8 m的绝缘水平桌面上。质量均为0.1 kg的匀质导体棒a和b静止在导轨上，两导体棒与导轨接触良好且始终与导轨垂直，接入电路的阻值均为0.1 Ω，与导轨间的动摩擦因数均为0.1(设最大静摩擦力等于滑动摩擦力)，导体棒a距离导轨最右端1.74 m。整个空间存在竖直向下的匀强磁场(图中未画出)，磁感应强度大小为0.1 T。用F＝0.5 N沿导轨水平向右的恒力拉导体棒a，当导体棒a运动到导轨最右端时，导体棒b刚要滑动，撤去F，导体棒a离开导轨后落到水平地面上。重力加速度取10 m/s2，不计空气阻力，不计其他电阻，下列说法正确的是( )
A．导体棒a离开导轨至落地过程中，水平位移为0.6 mB．导体棒a离开导轨至落地前，其感应电动势不变C．导体棒a在导轨上运动的过程中，导体棒b有向右运动的趋势D．导体棒a在导轨上运动的过程中，通过电阻R的电荷量为0.58 C
3．(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( )
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