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2024年高考物理复习第一轮:专题强化课(11) 电磁感应中的电路和图像问题
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这是一份2024年高考物理复习第一轮:专题强化课(11) 电磁感应中的电路和图像问题,共15页。
命题点一 电磁感应中的电路问题(师生互动)
[核心整合]
1.内电路和外电路
(1)切割磁感线运动的导体或磁通量发生变化的线圈都相当于电源.
(2)该部分导体的电阻或线圈的电阻相当于电源的内阻,其余部分是外电阻.
2.电源电动势和路端电压
(1)电动势:E=Blv或E=n.
(2)路端电压:U=IR=E-Ir=·R(外电路为纯电阻R).
3.解决电磁感应中的电路问题三部曲
在同一水平面的光滑平行导轨P、Q相距l=1 m,导轨左端接有如图所示的电路.其中水平放置的平行板电容器两极板M、N相距d=10 mm,定值电阻R1=R2=12 Ω,R3=2 Ω,金属棒ab的电阻r=2 Ω,其他电阻不计.磁感应强度B=0.5 T的匀强磁场竖直穿过导轨平面,当金属棒ab沿导轨向右匀速运动时,质量m=1×10-14 kg、电荷量q=-1×10-14 C的微粒悬浮于电容器两极板之间恰好静止不动.取g=10 m/s2,在整个运动过程中金属棒与导轨接触良好,且速度保持恒定.试求:
(1)匀强磁场的方向;
(2)ab两端的路端电压;
(3)金属棒ab运动的速度.
解析:(1)负电荷受到重力和电场力的作用处于静止状态,因为重力竖直向下,所以电场力竖直向上,故M板带正电.ab棒向右做切割磁感线运动产生感应电动势,ab棒等效于电源,感应电流方向由b→a,其a端为电源的正极,由右手定则可判断,磁场方向竖直向下.
(2)微粒受到重力和电场力的作用处于静止状态,根据平衡条件有
mg=Eq
又E=,所以UMN==0.1 V
R3两端电压与电容器两端电压相等,由欧姆定律得通过R3的电流为
I==0.05 A
则ab棒两端的电压为Uab=UMN+I=0.4 V.
(3)由法拉第电磁感应定律得感应电动势E=Blv
由闭合电路欧姆定律得E=Uab+Ir=0.5 V
联立解得v=1 m/s.
答案:(1)竖直向下 (2)0.4 V (3)1 m/s
电磁感应中电路问题的误区分析
(1)不能正确分析感应电动势及感应电流的方向.因产生感应电动势的那部分电路为电源部分,故该部分电路中的电流应为电源内部的电流,而外电路中的电流方向仍是从高电势到低电势.
(2)应用欧姆定律分析求解电路时,没有注意等效电源的内阻对电路的影响.
(3)对连接在电路中电表的读数不能正确进行分析,特别是并联在等效电源两端的电压表,其示数应该是路端电压,而不是等效电源的电动势.
[题组突破]
1.(电磁感应中的电路问题)用相同导线绕制的边长为L或2L的四个闭合导体线框、以相同的速度匀速进入右侧匀强磁场,如图所示.在每个线框进入磁场的过程中,M、N两点间的电压分别为Ua、Ub、Uc和Ud.下列判断正确的是( )
A.Ua<Ub<Uc<Ud
B.Ua<Ub<Ud<Uc
C.Ua=Ub=Uc=Ud
D.Ub<Ua<Ud<Uc
解析:B 线框进入磁场后切割磁感线,a、b产生的感应电动势是c、d电动势的一半,而不同的线框电阻不同.设a线框电阻为4r,b、c、d线框的电阻分别为6r、8r、6r.在线框进入磁场的过程中,MN两端的电压等于线框回路中的路端电压,根据线框长度和电阻的关系,依据闭合电路欧姆定律,可知Ua=BLv,Ub=BLv,Uc=B·2Lv=BLv,Ud=B·2Lv=BLv,所以Ua<Ub<Ud<Uc,故B正确.
2.(含电容器电路问题)如图所示,固定在水平面上的半径为r的金属圆环内存在方向竖直向上、磁感应强度大小为B的匀强磁场.长为l的金属棒,一端与圆环接触良好,另一端固定在竖直导电转轴OO′上,随轴以角速度ω匀速转动.在圆环的A点和电刷间接有阻值为R的电阻和电容为C、板间距为d的平行板电容器,有一带电微粒在电容器极板间处于静止状态.已知重力加速度为g,不计其他电阻和摩擦,下列说法正确的是( )
A.棒产生的电动势为Bl2ω
B.微粒的电荷量与质量之比为
C.电阻消耗的电功率为
D.电容器所带的电荷量为CBr2ω
解析:B 由法拉第电磁感应定律可知棒产生的电动势为E=Br·ωr=Br2ω,选项A错误.金属棒电阻不计,故电容器两极板间的电压等于棒产生的电动势,微粒的重力与其受到的电场力大小相等,有q=mg,可得=,选项B正确.电阻消耗的电功率P==,选项C错误.电容器所带的电荷量Q=CU=CBr2ω,选项D错误.
命题点二 电磁感应中的图像问题(多维探究)
图像
类型
随时间变化的图像,如Bt图像、Φt图像、Et图像、It图像;随位移变化的图像,如Ex图像、Ix图像(所以要先看坐标轴:哪个物理量随哪个物理量变化要弄清)
问题
类型
(1)由给定的电磁感应过程选出或画出正确的图像
(2)由给定的有关图像信息分析电磁感应过程,求解相应的物理量
解题
方法
四个
规律
左手定则、安培定则、右手定则、楞次定律
六个
公式
(1)平均电动势E=n
(2)平动切割电动势E=Bl v
(3)转动切割电动势E=Bl2ω
(4)闭合电路欧姆定律I=
(5)安培力F=BIl
(6)F=ma
第1维度:图像选取……………………………………
如图所示,一个半圆形导体框右侧有一个垂直于导体框平面向外的匀强磁场,磁场边界与导体框的直径MN平行,磁场宽度等于导体框的半径R.现让导体框以水平向右的速度v0匀速通过磁场区域,若从导体框进入磁场开始计时,规定电流沿顺时针方向为正,则导体框上产生的感应电流随时间的变化图像可能是( )
解析:B 当半圆形导体框右侧进入磁场,此时其切割磁感线的有效长度不断增大,磁通量不断增加,电流大小逐渐增大且方向为顺时针,直到导体框完全进入磁场,所用时间为t=,此刻电流为零,此后出磁场过程中,磁通量不断减小,电流方向为逆时针,且切割磁感线的有效长度逐渐增大,电流不断增大,直到t=出磁场.故选B.
解决此类问题,求解选择题时,用方向排除法较为简单.判断过程涉及三大定律.
(1)楞次定律判断感应电流方向.对于导体切割磁感线的情境,也可以用右手定则判断.
(2)法拉第电磁感应定律计算电动势.对导体切割磁感线的情境也可以用E=Blv,注意切割导体的有效长度和导体速度的变化.
(3)闭合电路的欧姆定律计算感应电流.感应电流是由感应电动势和回路电阻共同决定的.
第2维度:图像应用……………………………………
(多选)如图甲所示,在MN、OP之间存在一匀强磁场,t=0时,一正方形光滑金属线框在水平向右的外力F作用下紧贴MN从静止开始做匀加速运动,外力F随时间变化的图线如图乙所示.已知线框的质量m=1 kg,电阻R=2 Ω,运动过程中线框平面与磁场始终垂直.则( )
甲 乙
A.磁场宽度为4 m
B.匀强磁场的磁感应强度为 T
C.线框穿过磁场过程中,通过线框的电荷量为2 C
D.线框穿过磁场过程中,线框产生的热量为1 J
解析:AB 在0~1 s内,图乙的力随时间变化的图像可表示为F=2+2t,金属线框从静止开始向右做匀加速直线运动,设加速度为a,线框边长为L,根据牛顿第二定律,F-BIL=ma,I=,E=BLv,v=at,联立解得:F=ma+t=a+t,对比F=2+2t,可得a=2 m/s2,B2L2=2.t=1 s时线框完全进入磁场区域,线框速度v=at=2 m/s,线框边长L=at2=1 m,由B2L2=2,可得B= T,选项B正确;在1~2 s时间内线框完全处于磁场中,线框中磁通量不变,不产生感应电流,不受安培力作用,受到的外力F=2 N,线框做匀加速直线运动,加速度a=2 m/s2,t=2 s时开始出磁场,开始出磁场时线框速度v1=v+aΔt=2 m/s+2×1 m/s=4 m/s,所以磁场宽度b=L+Δt=1 m+×(2-1)m=4 m,选项A正确;线框进入磁场过程和从磁场中出来过程,穿过线框的磁通量的变化量相等,通过线框的电荷量相等,但电流方向相反,所以线框穿过磁场的过程中通过线框的电荷量为零,选项C错误;设线框完全离开磁场时的速度为v2,则有v-v=2aL,得v2= m/s,线框出磁场过程中动能的变化量为ΔE=mv-mv=2 J,此过程中外力F做的功等于线框动能增加量与产生的热量之和,即FL=ΔE+Q,由题图乙知FL>6 J,所以Q>4 J,选项D错误.
第3维度:图像转化……………………………………
(多选)如图甲所示,闭合矩形导线框abcd固定在匀强磁场中,磁场的方向与导线框所在平面垂直,磁感应强度B随时间t变化的规律如图乙所示.规定垂直纸面向外为磁场的正方向,顺时针为线框中感应电流的正方向,水平向右为安培力的正方向.关于线框中的感应电流i、ad边所受的安培力F随时间t变化的图像,下列选项正确的是( )
解析:BC 由题图乙可知,0~1 s时间内,B的方向垂直纸面向外,B增大,Φ增大,由楞次定律可知,感应电流的方向是顺时针方向,为正值;1~2 s时间内,磁通量不变,无感应电流;2~3 s时间内,B的方向垂直纸面向外,B减小,Φ减小,由楞次定律可知,感应电流的方向是逆时针方向,是负值;3~4 s时间内,B的方向垂直纸面向里,B增大,Φ增大,由楞次定律可知,感应电流的方向是逆时针方向,是负值.由左手定则可知,在0~1 s内,ad边受到的安培力方向水平向右,是正值;1~2 s时间内,无感应电流,没有安培力;2~3 s时间内,安培力水平向左,是负值;3~4 s时间内,安培力水平向右,是正值;由法拉第电磁感应定律可知,感应电动势E==S,感应电流I==,由Bt图像可知,在0~1 s、2~4 s时间段内,的大小不变,在各时间段内I的大小是定值,ad边受到的安培力F=BIL,I、L不变,B均匀变化,则安培力F均匀变化,不是定值,综上可知,B、C正确,A、D错误.
图像转化类问题应注意以下三点
(1)注意初始时刻的特征,如初始时刻感应电流是否为零,感应电流的方向如何.
(2)注意看电磁感应发生的过程分为几个阶段,这几个阶段是否和图像变化相对应.
(3)注意观察图像的变化趋势,看图像斜率的大小、图像的曲直是否和物理过程对应.
限时规范训练
[基础巩固]
1.(多选)如图甲所示,闭合金属环固定在水平桌面上,MN为其直径.MN右侧分布着垂直桌面向上的有界磁场,磁感应强度大小随时间变化的关系如图乙所示.已知金属环的电阻为1.0 Ω,直径MN长20 cm,则t=3 s时( )
甲 乙
A.N点电势高于M点电势
B.M、N两点间电压为5π×10-4 V
C.环所受安培力大小为5π×10-5 N
D.环所受安培力大小为5π2×10-5 N
解析:AC 本题考查法拉第电磁感应定律的应用.由题图乙可知,磁感应强度随时间不断增大,磁场方向竖直向上,由楞次定律可知,金属环中感应电流方向沿顺时针方向(从上往下看),MN右侧半段充当电源,电源内部电流从低电势流向高电势,则N点电势高于M点电势,A正确;根据法拉第电磁感应定律可得感应电动势为E==·S=× V=5π×10-4V,MN右侧半段充当电源,M、N两点间电压为路端电压,则UNM==2.5π×10-4V,B错误;金属环中的电流大小为I== A=5π×10-4 A,t=3 s时,磁感应强度为B′= T=0.5 T,金属环所受的安培力大小为F=B′IL有效=0.5×5π×10-4×20×10-2N=5π×10-5 N,C正确,D错误.
2.下列四个选项图中,虚线上方空间都存在方向垂直纸面向里的匀强磁场.A、B中的导线框为正方形,C、D中的导线框为直角扇形.各导线框均绕垂直纸面的轴O在纸面内匀速转动,转动方向如箭头所示,转动周期均为T.从线框处于图示位置时开始计时,以在OP边上从P点指向O点的方向为感应电流i的正方向.则在四个选项描述的情境中,产生的感应电流i随时间t的变化规律如图所示的是( )
解析:C 由题图中i t图像可知,感应电流在某一段时间内大小恒定.A、B图中,正方形线框绕O转动时,有效切割长度不断发生变化,即感应电流大小改变,故A、B错误;同理,C、D图中直角扇形线框,有效切割长度始终为半径,即感应电流大小不变,但D图中开始感应电流方向为O到P是负方向,故C正确,D错误.
3.(多选)如图所示,水平面上足够长的光滑平行金属导轨,左侧接定值电阻,整个装置处于竖直向下的匀强磁场中.金属杆MN以某一初速度沿导轨向右滑行,且与导轨接触良好,导轨电阻不计.则金属杆MN在运动过程中,速度大小v、流过的电荷量q与时间t或位移x的关系图像正确的是( )
解析:ABD 本题考查单杆模型的图像问题.金属杆在前进过程中,所受安培力大小F=BIL=,可知随速度的减小,安培力逐渐减小,加速度逐渐减小,最后停止运动,因此在vt图像中,斜率的绝对值逐渐减小,A正确;根据动量定理F·Δt=m·Δv可得-·Δt=m·Δv,而Δx=v·Δt,因此-·Δx=m·Δv,速度随位移均匀变化,可知vx图像为一条倾斜的直线,B正确;根据I==,可知随着速度的减小,qt图像是一条斜率逐渐减小的曲线,C错误;由于I=,两边同时乘以Δt可得I·Δt=·Δt,而Δq=I·Δt,整理得Δq=·Δx,可知qx图像为一条过坐标原点的倾斜直线,D正确.
4.如图所示,变化的匀强磁场垂直穿过金属框架MNQP,金属杆ab在恒力F作用下沿框架从静止开始运动,t=0时磁感应强度大小为B0,为使ab中不产生感应电流,下列能正确反映磁感应强度B随时间t变化的图像是( )
解析:C 本题考查磁感应强度B随时间t变化的图像.金属杆ab中不产生感应电流,则穿过闭合回路的磁通量不变,设金属杆ab长为L,金属杆ab到MP的距离为l1,金属杆ab的质量为m,则有a=,x=at2,B0Ll1=BL(l1+x),联立可得=+,随着时间增加,是增大的,且增大的速度越来越快,故C正确.
5.(多选)如图甲所示,虚线右侧有一垂直纸面的匀强磁场,取磁场垂直于纸面向外的方向为正方向,磁感应强度B随时间t变化的关系如图乙所示,固定的闭合导线框abcd一部分在磁场内.取线框中感应电流沿逆时针方向为正方向,安培力向左为正方向.从t=0时刻开始,下列关于线框中感应电流i、线框cd边所受安培力F分别随时间t变化的图像,可能正确的是( )
解析:AD 本题考查电磁感应现象中的it、Ft图像问题.由题图乙可知,0~时间内,先是垂直纸面向外的磁感应强度减小,后是垂直纸面向里的磁感应强度增大,根据楞次定律可知,产生沿逆时针方向的感应电流,根据法拉第电磁感应定律可知,感应电流i∝,则这段时间内感应电流恒定不变;~T时间内,先是垂直纸面向里的磁感应强度减小,后是垂直纸面向外的磁感应强度增大,根据楞次定律可知,产生沿顺时针方向的感应电流,根据法拉第电磁感应定律可知,这段时间内感应电流恒定不变,故A正确,B错误;0~时间内,感应电流恒定不变,根据安培力公式F=BIL可知,则F∝B,根据楞次定律推广含义“来拒去留”可知,线框cd边所受安培力先向右后向左,同理可知,~T时间内,F∝B,线框cd边所受安培力先向右后向左,C错误,D正确.
6.如图甲所示,一水平放置的线圈,匝数n=100匝,横截面积S=0.2 m2,电阻r=1 Ω,线圈处于水平向左的均匀变化的磁场中,磁感应强度B1随时间t变化关系图像如图乙所示.线圈与足够长的竖直光滑导轨MN、PQ连接,导轨间距l=20 cm,导体棒ab与导轨始终接触良好,ab棒质量m=5 g,接入电路的电阻R=4 Ω,导轨的电阻不计,导轨处在与导轨平面垂直向里的匀强磁场中,磁感应强度B2=0.5 T.t=0时,导体棒由静止释放,g取10 m/s2,求:
(1)t=0时,线圈内产生的感应电动势的大小;
(2)t=0时,导体棒ab两端的电压和导体棒的加速度大小;
(3)导体棒ab到稳定状态时,导体棒所受重力的瞬时功率.
解析:(1)由题图乙可知,线圈内磁感应强度变化率为=0.1 T/s
由法拉第电磁感应定律可知:E1=n=nS=2 V.
(2)t=0时,回路中电流:I==0.4 A
导体棒ab两端的电压U=IR=1.6 V
设此时导体棒的加速度为a,则mg-B2Il=ma
得:a=g-=2 m/s2.
(3)当导体棒ab达到稳定状态时,满足mg=B2I′l
I′=,则v=,
代入数据得v=5 m/s
此时,导体棒所受重力的瞬时功率P=mgv=0.25 W.
答案:(1)2 V (2)1.6 V 2 m/s2 (3)0.25 W
[能力提升]
7.(多选)如图所示,在0≤x≤L和2L≤x≤3L的区域内存在着匀强磁场,磁场的方向垂直于xOy平面(纸面)向里,具有一定电阻的正方形线框abcd边长为2L,位于xOy平面内,线框的ab边与y轴重合.令线框从t=0时刻由静止开始沿x轴正方向做匀加速直线运动,ab边在t0时刻到达x=L位置,则线框中的感应电流I(取逆时针方向的电流为正)、bc两端的电势差Ubc与时间t的函数图像大致是下列图中的( )
解析:AC 本题考查电磁感应现象中的图像问题.线框ab边从x=0运动到x=L的时间为t0,由运动学规律可得L=at,解得t0=,感应电流I==,电流随时间均匀增大,由楞次定律可知,感应电流沿逆时针方向;设线框ab边从x=L运动到x=4L的时间为t1,则由运动学公式得t1=-t0=2t0-t0=t0,这段时间内穿过线框的磁通量不变,线框内没有感应电流;设线框ab边从x=4L运动到x=5L的时间为t2,则由运动学公式得t2=-=t0-2t0=0.236t0,根据楞次定律得,感应电流方向沿顺时针方向,为负值,感应电流为I=-=-,故A正确,B错误;bc两端电势差Ubc=IR,bc为外电路,故电势差变化和电流变化相同,故C正确,D错误.
8.(多选)如图所示,倒U形光滑导轨DABC倾斜放置,MN、QH将导轨长度均分为三等份,AB∥MN∥QH,在MNHQ中存在垂直导轨平面向下的匀强磁场(图中未画出).一金属棒从MN上方静止释放,金属棒向下运动的过程中始终与导轨接触良好且与AB平行,U形导轨AB部分电阻为R,其余部分电阻不计,金属棒的电阻为r,I为金属棒中的电流,q为通过金属棒的电荷量,U为金属棒两端的电压,P为金属棒中的电功率,若从金属棒刚进入磁场开始计时,它在磁场中运动的过程中,下列图像中不可能正确的是( )
解析:AC 本题考查金属棒在倾斜导轨上以一定速度进入匀强磁场的图像问题.如果电流减小,则表明金属棒在做减速运动,根据受力分析有BIL-mgsin α=ma,随着电流减小,加速度减小,根据闭合电路的欧姆定律得I=,则有==,随着加速度减小,It图像的斜率减小,A错误,符合题意;如果金属棒进入磁场时,安培力与重力沿导轨方向的分力平衡,则金属棒做匀速直线运动,其电流不变,根据q=It可知,电荷量与时间成正比,B正确,不符合题意;如果路端电压随时间增大,则表明金属棒在做加速运动,受力分析有mgsin α-BIL=ma,随着电压增大,电流增大,加速度减小,根据闭合电路的欧姆定律得U=IR=R,则有=R=,随着加速度减小,Ut图像的斜率减小,但是开始计时时.路端电压不为零,C错误,符合题意;如果金属棒进入磁场时,安培力与重力沿导轨方向的分力平衡,则金属棒做匀速直线运动,其电流不变,根据P=I2r可知,金属棒的电功率不变,D正确,不符合题意.
9.(多选)半径分别为r和2r的同心圆形导轨固定在同一水平面内,一长为r、电阻为R的均匀金属棒AB置于圆导轨上面,BA的延长线通过圆导轨中心O,装置的俯视图如图所示,整个装置位于一匀强磁场中,磁感应强度的大小为B,方向竖直向下.在两环之间接阻值为R的定值电阻和电容为C的电容器.金属棒在水平外力作用下以角速度ω绕O逆时针匀速转动,在转动过程中始终与导轨保持良好接触.导轨电阻不计.下列说法正确的是( )
A.金属棒中电流从B流向A
B.金属棒两端电压为Bωr2
C.电容器的M板带负电
D.电容器所带电荷量为CBωr2
解析:AB 根据右手定则可知金属棒中电流从B流向A,A项正确;金属棒转动产生的电动势为E=Br=Bωr2,切割磁感线的金属棒相当于电源,金属棒两端电压相当于电源的路端电压,因而U=E=Bωr2,B项正确;金属棒A端相当于电源正极,电容器M板带正电,C项错误;由C=可得电容器所带电荷量为Q=CBωr2,D项错误.
10.如图甲所示,两根完全相同的光滑平行导轨固定,每根导轨均由两段与水平面成θ=30°的长直导轨和一段圆弧导轨平滑连接而成,导轨两端均连接电阻,阻值R1=R2=2 Ω,导轨间距L=0.6 m.在右侧导轨所在斜面的矩形区域M1M2P2P1内分布有垂直斜面向上的磁场,磁场上下边界M1P1、M2P2的距离d=0.2 m,磁感应强度大小随时间的变化规律如图乙所示.t=0时刻,在右侧导轨斜面上与M1P1距离s=0.1 m处,有一根阻值r=2 Ω的金属棒ab垂直于导轨由静止释放,恰好独立匀速通过整个磁场区域,重力加速度g取10 m/s2,导轨电阻不计.求:
(1)ab在磁场中运动的速度大小v;
(2)在t1=0.1 s时刻和t2=0.25 s时刻电阻R1的电功率之比.
解析:(1)根据对金属棒ab受力分析和动能定理,由
mgs·sin θ=mv2
得v==1 m/s.
(2)金属棒从释放到运动至M1P1的时间t==0.2 s
在t1=0.1 s时,金属棒还没进入磁场,有E1==Ld=0.6 V
此时,R2与金属棒并联后再与R1串联,R串=3 Ω
U1=R1=0.4 V
由图乙可知,t=0.2 s后磁场保持不变,ab经过磁场的时间t′==0.2 s
故在t2=0.25 s时,金属棒还在磁场中运动,电动势E2=BLv=0.6 V
此时R1与R2并联,R总=3 Ω,得R1两端电压U1′=0.2 V
电功率P=,故在t1=0.1 s和t2=0.25 s时刻电阻R1的电功率比值==4.
答案:(1)1 m/s (2)4
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