新高考物理一轮复习专题一0二电磁感应教学课件

这是一份新高考物理一轮复习专题一0二电磁感应教学课件，共60页。
(2)如果回路闭合,则产生感应电流;如果回路不闭合,则只有感应电动势,没有感应电流。
二、楞次定律1.楞次定律及其理解(1)内容:感应电流具有这样的方向,即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)正确理解楞次定律中“阻碍”的含义
(3)判断感应电流方向的思路
2.楞次定律的推论及其应用
3.右手定则(1)内容: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个平面内;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:导体切割磁感线产生感应电流。4.三个定则与一个定律的应用比较
注意    涉及力(洛伦兹力、安培力)时,才用左手定则。
考点二　法拉第电磁感应定律
一、法拉第电磁感应定律1.表达式:E=n ,n表示线圈的匝数。2.应用法拉第电磁感应定律的三种情况(1)仅S变化时,ΔΦ=B·ΔS,则E=n 。(2)仅B变化时,ΔΦ=S·ΔB,则E=n 。(3)B、S均变化时,ΔΦ=Φ末-Φ初,则E=n ≠n 。
3.四种常见情境下感应电动势的表达式
提醒    E=BLv的三个特性(1)正交性:B、v、导体棒三者互相垂直,若v与B夹角为θ,则E=BLv sin θ。(2)有效性:公式中的L为导体棒切割磁感线的有效长度,如图所示。 (3)相对性:E=BLv中的速度v是导体棒相对磁场的速度,若磁场也在运动,则应注意速度 间的相对关系。
4.感生电动势与动生电动势的比较
例　如图所示,匝数为N、面积为S的圆形线圈内有垂直线圈平面的匀强磁场,磁感应 强度的变化规律为B=B0-kt,其中k>0,t=0时刻磁场方向垂直于线圈平面向里。线圈与磁 场外的小灯泡相连,小灯泡和线圈的电阻均为R,其他电阻不计,则电路中 (　    )
A.电流由a经灯泡流向bB.a端电势比b端电势高C.流过灯泡的电流为 D.a、b间的电压为 
  解析    由题意可知,线圈内磁场减弱,磁通量变小,由楞次定律结合安培定则可知,产生顺时针方向的感应电流,画出等效电路图如图所示,
电流由b经灯泡流向a,b端电势比a端电势高,A、B错误;根据法拉第电磁感应定律可得 E=N S=NkS,流过灯泡的电流I= = ,C正确;a、b间的电压U=IR= ,D错误。故选C。
二、互感和自感1.互感两个相互靠近的线圈中,当一个线圈中的电流变化时,它所产生的变化的磁场会在另 一个线圈中产生感应电动势,这种现象叫作互感,这种电动势叫作互感电动势。2.自感(1)定义:当一个线圈中的电流变化时,它所产生的变化的磁场在线圈本身激发出感应 电动势,这种现象称为自感。由于自感而产生的感应电动势叫作自感电动势。(2)自感电动势的表达式:E=L 。(3)自感系数L的影响因素:线圈的大小、形状、匝数以及是否有铁芯。
(4)通电自感和断电自感的比较
规律总结    分析自感现象的三个技巧 
三、涡流　电磁阻尼和电磁驱动1.产生涡流的两种情况(1)块状金属放在变化的磁场中;(2)块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动。2.电磁阻尼和电磁驱动
模型一　电磁感应中的单杆模型
一、单杆电阻类1.两种基本情况(1)杆具有初速度
例1    (梯度设问·回归教材)如图1所示,阻值为r的导体棒ab沿固定的光滑导线框向右 做匀速运动,线框中接有阻值为R的电阻。线框放在磁感应强度为B的匀强磁场中,磁 场方向垂直于线框平面。导体棒ab的长度为L,运动的速度为v,线框的电阻不计。 
教材设问    (1)电路abcd中哪部分相当于电源?电动势多大?内阻多大?哪个位置相当于 电源的正极?哪一部分相当于闭合电路中的外电路?(2)ab棒向右运动时所受的安培力有多大? (3)ab棒所受安培力的功率有多大?电阻R的发热功率有多大?导体棒ab的发热功率有 多大?从能的转化和守恒角度说一说这三个功率关系的含义。
设问解析    (1)画出等效电路如图2所示,切割磁感线的导体棒ab相当于电源,电源的电 动势E=BLv,电源内阻为r。根据右手定则可知,a端为电源的正极,ad、dc、cb三部分为 闭合电路中的外电路,电阻R为外电阻。 (2)由闭合电路欧姆定律可知,闭合电路中的电流I= = ,方向为逆时针方向。根据安培力的公式F安=BIL得,ab棒向右运动时所受的安培力大小为F安= 。
(3)ab棒所受安培力的功率P=F安v= ,电阻R的发热功率PR=I2R= R,导体棒ab的发热功率Pr=I2r= r,显然三者之间满足P=PR+Pr,即从能的转化和守恒角度来讲,导体棒克服安培力做功从而产生电能,进而转化为整个电路的焦耳热。
变式设问    (4)若保持导体棒ab以速度v向右匀速运动,需施加一水平方向的外力F。该 外力的大小如何?方向如何?(5)若已知导体棒ab的质量为m,突然撤去外力F,回路中还能产生多少焦耳热?分析导体 棒ab撤去外力F后的运动过程,计算导体棒ab还能滑行的距离以及在此过程中通过导 体棒的电荷量。
设问解析    (4)导体棒ab向右匀速运动,则外力F与安培力为一对平衡力,即F=F安=  ,方向水平向右。(5)由能量守恒可得回路中还能产生的焦耳热Q= mv2;撤去外力F后,取向右为正方向,由动量定理可得- Δt=0-mv,所以导体棒还能滑行的距离Δx= Δt= ;由动量定理可得-B LΔt=0-mv,此过程通过导体棒的电荷量q= Δt= (点拨:在用动量定理解决电磁感应问题时,若涉及位移,安培力用 表示,若涉及电荷量,安培力用B L表示)。
拓展设问    (6)若导体棒在水平向右的外力F(未知)的作用下由静止开始以加速度a向右做匀加速 运动,从施加外力开始计时,分析外力随时间变化的关系,并求出在导体棒的速度达到v 的过程中,外力F的冲量。
设问解析    (6)根据牛顿第二定律可得F-F安=ma,即F- v=ma,又因为导体棒向右做匀加速运动,有v=at,代入得F=ma+ at。
解法一:计算外力F的冲量时,由于外力F为变力,故可以采用动量定理求解。取导体棒 的运动方向为正方向,导体棒在速度达到v的过程中,由动量定理可知IF+I安=mv-0,其中I 安=- x,且x= ,联立可得IF=mv+ ,方向水平向右。
解法二:计算外力F的冲量时,也可根据上述F的表达式,作出F随时间t的函数关系图线, 如图3所示,图中t0= ,F0=ma+ at0=ma+ v,图线与坐标轴围成的梯形面积表示外力F的冲量,可得IF=mv+ ,方向水平向右。 
例2    (多选)水平固定放置的足够长的光滑平行导轨,电阻不计,间距为L,左侧连接的电 源电动势为E、内阻为r,质量为m的金属杆垂直静放在导轨上,金属杆处于导轨间的部 分的电阻为R。整个装置处在磁感应强度大小为B、方向竖直向下的匀强磁场中,如图 所示。闭合开关,金属杆由静止开始沿导轨做变加速运动直至达到最大速度,则下列 说法正确的是 (　    ) 
A.金属杆的最大速度等于  B.此过程中通过金属杆的电荷量为 C.此过程中电源提供的电能为 D.此过程中金属杆产生的热量为 
  解析    (运动学角度)当杆的加速度为零时,杆的速度最大,此时杆切割磁感线产生的感应电动势和电源的电动势大小相等,即BLvm=E,解得杆的最大速度vm= ,A正确;(动量角度)取向右为正方向,由动量定理可得B LΔt=mvm,流过杆的电荷量q= Δt,联立解得q= ,B正确;(能量角度)电源提供的电能E电=qE,解得E电= ,C错误;由能量守恒可得,回路产生的热量Q=E电- m ,杆产生的热量QR= Q,解得QR= ,D正确。
  答案    ABD
拓展设问    若闭合开关时,给金属杆施加水平向右的恒力F,试分析杆的运动情况。
设问解析    第一阶段:安培力向右,由牛顿第二定律得a= ;由于F安=BIL,I= ,代入解得a= + - ,金属杆向右做加速度逐渐减小的加速运动。当E=BLv1,即v1= 时,回路电流为零,F安=0,金属杆的加速度a1= 。第二阶段:金属杆的速度继续增加,回路电流反向,安培力向左,加速度a= ;由于F安=BIL,I= ,可得a= + - ,加速度继续减小。当向左的安培力等于F时,金属杆的加速度为零,速度最大,即由B L=F,解得杆的最大速度vm= + ,之后金属杆以vm做匀速直线运动。
三、单杆电容类1.电容器充电式(1)含“容”有v0,无外力
(2)含“容”有外力,F恒定,v0=0
例3　足够长的平行金属导轨ab、cd水平放置于竖直向下的匀强磁场中,磁感应强度 大小为B,ac之间连接有电容为C的电容器,导轨间距为L,长度为L的光滑金属棒垂直导 轨放置,与导轨接触良好,俯视图如图所示。金属棒在水平恒力F的作用下开始向右运 动,当金属棒运动距离为x时撤去外力F,整个过程电容器未被击穿,重力加速度为g。 
梯度设问    (1)在外力F作用下金属棒做何种运动?(2)在外力F的作用下,电容器的电荷量随时间如何变化?(3)撤去外力F时金属棒的速度为多少?(4)撤去外力F后金属棒做何种运动?
设问解析    (1)金属棒做加速运动,持续对电容器充电,则存在充电电流,由F-BIL=ma,I=  ,ΔQ=CΔU,ΔU=ΔE=BLΔv,联立可得F- =ma,其中 =a,则可得a= ,所以金属棒做匀加速直线运动。(2)设t时刻,金属棒的速度为v,则电容器的电荷量Q=CU=CBLv=CBLat,所以Q随时间均 匀增加。(3)撤去F时,由匀变速直线运动规律可得金属棒的速度v= = 。(4)撤去F后,金属棒两端电压和电容器两端电压相等,故金属棒中电流为零,做匀速直 线运动。
拓展设问    (5)若金属棒和导轨电阻均不计,分析撤去F前,金属棒运动距离为x时,电容 器中储存的电场能E电为多少。
设问解析    (5)外力F做的功WF=Fx,金属棒的速度v= ,则动能Ek= mv2= ;力F做的功一部分转化为动能,一部分转化为电场能,可得E电=WF-Ek=Fx- 。
模型二　电磁感应中的双杆模型
例4    (多选)如图所示,空间存在竖直向下的匀强磁场,磁感应强度大小为B。有两根完 全相同的金属棒a和b垂直静置于水平光滑平行金属导轨上,导轨间距为L,导轨电阻不 计,金属棒与导轨接触良好,两根金属棒的质量均为m,处于导轨间的部分的电阻均 为R。将b固定在导轨上,某时刻给a施加一个水平向右的恒力F。下列说法正确的是 (　    ) 
A.a棒所受的安培力先增大后减小B.F最终的功率为  C.若b棒未固定,稳定后b棒中的热功率为 D.若b棒未固定,两棒间的距离一直增大
  解析    (b棒固定,属于单杆模型)a棒所受的安培力F安a= ;由牛顿第二定律得a棒的加速度a= - ,a棒做加速度减小的加速运动,当a=0时,a棒速度最大,之后做匀速直线运动,所以a棒所受安培力先增大后不变,A错误。a棒的加速度为零时,速度vm=  ,所以F最终的功率Pm=Fvm= ,B正确。(若b棒未固定,属于双杆模型)稳定后b和a的加速度相等,aa=ab= ;由于ab= ,F安=BIL;联立解得回路电流I= ,b棒的热功率P热=I2R= ,C正确。若b棒未固定,最初a棒的加速度逐渐减小、b棒的加速度从零开始增大,a棒的加速度大于b棒的加速度,故a棒的速度比b棒的速度大,当两棒加速 度相等时,a棒的速度仍大于b棒的速度,所以两棒间的距离一直增大,D正确。
  答案    BCD
例5    (多选)如图所示,电阻不计的光滑金属导轨由直窄轨AB、CD,直宽轨EF、GH和 连接直轨BE、GD构成,整个导轨处于同一水平面内,AB∥CD∥EF∥GH,BE和GD共线 且与AB垂直,窄轨间距为 ,宽轨间距为L。空间有方向竖直向上的匀强磁场,宽轨所在区域的磁感应强度大小为B,窄轨所在区域的磁感应强度大小为2B。棒长均为L、质 量均为m、电阻均为R的金属直棒a、b始终与导轨垂直且接触良好。初始时刻,b棒静 止在宽轨上,a棒从窄轨上某位置以平行于AB的初速度v0向右运动。a棒距窄轨右端足 够远,宽轨EF、GH足够长。则(　    )
 A.a棒刚开始运动时,b棒加速度大小为 B.经过足够长的时间后,a棒的速度大小为 v0C.整个过程中,通过回路的电荷量为 D.整个过程中,b棒产生的焦耳热为 m 
解题指导     
  解析    a棒开始运动时,回路中的电流I= = ,由牛顿第二定律得b棒的加速度a= = ,A正确。系统所受合力为零,由动量守恒可得mv0=mva+mvb;系统稳定时2B· ·va=B·L·vb;联立解得va=vb= ,B错误。对b棒由动量定理可得B L·t=mvb,通过回路的电荷量q= ·t= ,C正确。系统产生的焦耳热Q= m - m - m ,b棒产生的焦耳热Qb= Q,联立解得Qb= m ,D错误。
模型三　电磁感应中的线框模型
注意　若为N匝线圈,电荷量q=N 。
例6　如图,垂直纸面向里的水平匀强磁场的磁感应强度为B,上下边界距离为4d,边长 为d的正方形金属框在竖直平面内从磁场上边界上方h处由静止释放,并穿过匀强磁 场,金属框上下边始终保持与磁场边界平行。已知金属框下边刚要离开磁场时的速度 与它刚进入磁场时速度相同,金属框质量为m、电阻为R,重力加速度为g,不计空气阻 力。求:(1)金属框刚进入磁场时的加速度大小;(2)金属框离开磁场过程中产生的热量。
解题指导    抓住题目中的关键信息:金属框下边刚要离开磁场时的速度与它刚进入磁场时速度相同。由于金属框完全进入磁场后只受重力作用,做匀加速直线运动,速度 会增大,所以金属框下边进入磁场时必须做减速运动才能满足题干情境。金属框离开 磁场和进入磁场时的运动情况相同,所以产生的热量相同。
  解析    (1)设金属框刚进入磁场时的速度为v1,由动能定理可得mgh= m ①;由闭合电路欧姆定律可得此时的感应电流I1= ②;由牛顿第二定律可得金属框的加速度大小a= ③;联立解得a= -g。(2)金属框下边刚进入磁场时至下边刚要离开磁场时的动能相同,根据能量守恒可得此 过程中金属框产生的热量Q1=4mgd(关键:此过程中只有金属框进入磁场的过程会产生 热量);所以金属框离开磁场过程中产生的热量Q2=Q1=4mgd。
  答案    (1) -g    (2)4mgd
微专题21　电磁感应中的图像问题
一、图像类型1.B-t图像、Φ-t图像、E-t图像和I-t 图像。2.对于切割磁感线产生感应电动势和感应电流的情况,还常涉及感应电动势E和感应 电流I随导体位移x变化的图像,即E-x图像和I-x 图像。
二、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。
三、应用知识　　右手定则、安培定则、楞次定律、法拉第电磁感应定律、闭合电路欧姆定律、 牛顿运动定律和相关数学知识等。
四、解答电磁感应中图像类选择题的两个常用方法
五、几点注意1.注意初始时刻,如初始时刻感应电流是否为零,是正方向还是负方向。2.注意变化过程,看发生电磁感应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.注意大小、方向的变化趋势,看图线斜率(或其绝对值)大小、图线的曲直与物理过 程是否相对应。4.求F-t图像时,不但要注意I随时间的变化,还需要注意B随时间的变化。有时I≠0,但B =0,导致F=0。
例    (多选)如图甲所示,闭合单匝矩形导线框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与ad边所受的安培力F随时间t变化的图像,下列选项中正确的 是 (　    ) 　     
  解析    由题图乙可知,0~1 s内,B增大,则Φ增大,由楞次定律可知,感应电流沿顺时针方向,为正值;1~2 s内,磁通量不变,无感应电流;2~3 s内,B的方向垂直纸面向外,B减小, 则Φ减小,由楞次定律可知,感应电流沿逆时针方向,为负值;3~4 s内,B的方向垂直纸面 向里,B增大,则Φ增大,由楞次定律可知,感应电流沿逆时针方向,为负值,A错误。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内无感应电流, ad边不受安培力;2~3 s内,安培力方向水平向左,是负值;3~4 s内,安培力方向水平向右, 是正值,D错误。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B-t图像可知,在B变化的各时间段内, 的大小是定值,则在各时间段内I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,B、C正确。