高中物理人教版 (新课标)选修3第四章 电磁感应综合与测试导学案

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[核心速填]
1．产生条件
(1)穿过闭合回路的磁通量发生变化．
(2)回路的部分导体做切割磁感线运动．
2．感应电流方向的判断
(1)楞次定律
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)右手定则
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．
3．感应电动势大小的计算
(1)E＝eq \f(ΔΦ,Δt)(单匝线圈)；E＝neq \f(ΔΦ,Δt)(n匝线圈)．
(2)E＝Blv.
4．特殊情况：互感、自感、涡流、电磁阻尼和电磁驱动．
【例1】 (多选)在绝缘的水平桌面上有MN、PQ两根平行的光滑金属导轨，导轨间的距离为l.金属棒ab和cd垂直放在导轨上，以速度v向右匀速运动，两棒正中间用一根长l的绝缘细线(细线处于伸直状态)相连，导轨右侧有一直角三角形匀强磁场区域，磁场方向竖直向下，三角形的两条直角边长均为l，整个装置的俯视图如图所示，当棒ab运动到磁场区域时，在棒ab上加水平拉力，使金属棒ab和cd继续以速度v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变化的图象可能正确的是(规定金属棒ab中电流方向由a到b为正方向)( )
A B C D
AC [ab向右运动切割磁感线，由右手定则可知，产生的感应电流方向为从b到a(电流为负值)，当cd棒进入磁场时电流方向从a到b为正．根据法拉第电磁感应定律，两时间段内金属棒切割磁感线的有效长度逐渐增大，所以感应电流i随时间变化的图象可能为A图，B图一定错误；在ab棒做切割磁感线运动的过程中，由于cd棒没有进入磁场中，不受安培力作用，在0～t0时间内，绝缘细线中张力F等于零，在cd棒进入磁场区域做切割磁感线运动时，受到安培力作用，绝缘细线中张力F＝BIv(t－t0)＝eq \f(B2[vt－t0]2v,R)＝eq \f(B2v3t－t02,R)，故绝缘细线中张力F随时间变化的图象可能为C图，D图一定错误．]
[一语通关]
线框进、出匀强磁场，可根据E＝Blv判断E的大小变化，再根据楞次定律判断方向.特别注意l为切割的有效长度.
1．如图(a)所示，线圈ab、cd绕在同一软铁芯上，在ab线圈中通以变化的电流，用示波器测得线圈cd间电压如图(b)所示．已知线圈内部的磁场与流经线圈的电流成正比，则下列描述线圈ab中电流随时间变化关系的图中，可能正确的是( )
A B
C D
C [由题图(b)可知在cd间不同时间段内产生的电压是恒定的，所以在该时间段内线圈ab中的磁场是均匀变化的，则线圈ab中的电流是均匀变化的，故选项A、B、D错误，选项C正确．]
回路中的部分导体做切割磁感线运动或穿过回路的磁通量发生变化时，回路将产生感应电动势，该导体或回路相当于电源．因此，电磁感应问题往往和电路问题联系在一起，解决与电路相联系的电磁感应问题的基本方法是：
1．明确哪一部分电路产生感应电动势，则这部分电路就是等效电源，该部分电路的电阻是电源的内阻，而其余部分电路则是用电器，是外电路．
2．分析电路结构，画出等效电路图．
3．用法拉第电磁感应定律确定感应电动势的大小，再运用闭合电路欧姆定律、串并联电路的性质、电功、电热等知识求解．
【例2】 如图所示，足够长的平行光滑金属导轨水平放置，宽度L＝0.4 m，一端连接R＝1 Ω的电阻，导轨所在空间存在竖直向下的匀强磁场，磁感应强度B＝1 T．导体棒MN放在导轨上，其长度恰好等于导轨间距，与导轨接触良好．导轨和导体棒的电阻均可忽略不计．在平行于导轨的拉力F作用下，导体棒沿导轨向右匀速运动，速度v＝5 m/s.
(1)求感应电动势E和感应电流I；
(2)若将MN换为电阻r＝1 Ω的导体棒，其他条件不变，求导体棒两端的电压U.
[解析] (1)由法拉第电磁感应定律可得，感应电动势
E＝BLv＝1×0.4×5 V＝2 V，
感应电流I＝eq \f(E,R)＝eq \f(2,1) A＝2 A.
(2)由闭合电路欧姆定律可得，电路中电流
I′＝eq \f(E,R＋r)＝eq \f(2,2) A＝1 A，
由欧姆定律可得，导体棒两端的电压
U＝I′R＝1×1 V＝1 V.
[答案] (1)2 V 2 A (2)1 V
[一语通关]1发生电磁感应的部分导体为电源，其余部分为外电路.
2若回路是纯电阻，则发生电磁感应时，可结合闭合电路欧姆定律和串并联电路知识解答.
2．(多选)如图所示，矩形金属框架三个竖直边ab、cd、ef的长都是L，电阻都是R，其余电阻不计，框架以速度v匀速平动地穿过磁感应强度为B的匀强磁场，设ab、cd、ef三条边先后进入磁场时ab边两端电压分别为U1、U2、U3，则下列判断结果正确的是( )
A．U1＝eq \f(1,3)BLv B．U2＝2U1
C．U3＝0 D．U1＝U2＝U3
AB [当ab进入磁场时，I＝eq \f(E,R＋\f(R,2))＝eq \f(2BLv,3R)，则U1＝E－IR＝eq \f(1,3)BLv.当cd也进入磁场时，I＝eq \f(2BLv,3R)，U2＝E－Ieq \f(R,2)＝eq \f(2,3)BLv.三边都进入磁场时，U3＝BLv，故选项A、B正确．]
1.模型分类
“双杆”模型分为两类：一类是“一动一静”，甲杆静止不动，乙杆运动，其实质是单杆问题，不过要注意问题包含着一个条件：甲杆静止、受力平衡．另一类是两杆都在运动，对于这种情况，要注意两杆切割磁感线产生的感应电动势是相加还是相减．
2．分析方法
通过受力分析，确定运动状态，一般会有收尾状态．对于收尾状态则有恒定的速度或者加速度等，再结合运动学规律、牛顿运动定律和能量观点分析求解．
【例3】 如图所示，两根足够长的平行金属导轨固定在倾角θ＝30° 的斜面上，导轨电阻不计，间距L＝0.4 m．导轨所在空间被分成区域Ⅰ和Ⅱ，两区域的边界与斜面的交线为MN，Ⅰ中的匀强磁场方向垂直斜面向下，Ⅱ中的匀强磁场方向垂直斜面向上，两磁场的磁感应强度大小均为B＝0.5 T．在区域Ⅰ中，将质量m1＝0.1 kg，电阻R1＝0.1 Ω的金属条ab放在导轨上，ab刚好不下滑．然后，在区域Ⅱ中将质量m2＝0.4 kg，电阻R2＝0.1 Ω 的光滑导体棒cd置于导轨上，由静止开始下滑．cd在滑动过程中始终处于区域Ⅱ的磁场中，ab、cd始终与导轨垂直且两端与导轨保持良好接触，g取10 m/s2.求：
(1)cd下滑的过程中，ab中的电流方向；
(2)ab刚要向上滑动时，cd的速度v；
(3)从cd开始下滑到ab刚要向上滑动的过程中，cd滑动的距离x＝3.8 m，此过程中ab上产生的热量Q.
[解析] (1)由右手定则可知，电流方向为由a流向b.
(2)开始放置ab刚好不下滑时，ab所受摩擦力为最大静摩擦力，设其为Fmax，
有Fmax＝m1gsin θ
设ab刚好要上滑时，cd棒的感应电动势为E，由法拉第电磁感应定律得
E＝BLv
设电路中的感应电流为I，由闭合电路欧姆定律有
I＝eq \f(E,R1＋R2)
设ab所受安培力为F安，有F安＝ILB
此时ab受到的最大静摩擦力方向沿斜面向下，由平衡条件得
F安＝m1gsin θ＋Fmax
综合以上各式，代入数据解得v＝5 m/s.
(3)设cd棒的运动过程中电路中产生的总热量为Q总，由能量守恒得
m2gxsin θ＝Q总＋eq \f(1,2)m2v2
又Q＝eq \f(R1,R1＋R2)Q总
综合上式，代入数据解得Q＝1.3 J.
[答案] (1)由a流向b (2)5 m/s (3)1.3 J
[一语通关] 分析“双杆”模型问题时，要注意双杆之间的制约关系，即“动杆”与“被动杆”之间的关系，最终两杆的收尾状态的确定是分析该类问题的关键.
3．(多选) 如图所示，水平传送带带动两金属杆a、b匀速向右运动，传送带右侧与两光滑平行金属导轨平滑连接，导轨与水平面间夹角为30°，两虚线EF、GH之间有垂直导轨平面向下的匀强磁场，磁感应强度为B，磁场宽度为L，两金属杆的长度和两导轨的间距均为d，两金属杆质量均为m，两杆与导轨接触良好．当金属杆a进入磁场后恰好做匀速直线运动，当金属杆a离开磁场时，金属杆b恰好进入磁场，则( )
A．金属杆b进入磁场后做加速运动
B．金属杆b进入磁场后做匀速运动
C．两杆在穿过磁场的过程中，回路中产生的总热量为mgL
D．两杆在穿过磁场的过程中，回路中产生的总热量为eq \f(mgL,2)
BC [两杆从导轨顶端进入磁场过程中，均只有重力做功，故进入磁场时速度大小相等，金属杆a进入磁场后匀速运动，b进入磁场后，a离开磁场，金属杆b受力与金属杆a受力情况相同，故也做匀速运动，A项错误，B项正确；两杆匀速穿过磁场，减少的重力势能转化为回路的电热，即Q＝2mgLsin 30°＝mgL，C项正确，D项错误．]
电磁感应中的图象问题
图象类型
(1)磁感应强度B、磁通量Ф、感应电动势E、感应电流i、电压u、电荷量q随时间t变化的图象，即B­t图象、Ф­t图象、E­t图象、i­t图象、u­t图象、q­t图象
(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随线圈位移x变化的图象，即E­x图象和i­x图象
问题类型
(1)由给定的电磁感应过程选出或画出正确的图象
(2)由给定的有关图象分析电磁感应过程，求解相应的物理量
应用知识
左手定则、安培定则、楞次定律、法拉第电磁感应定律、欧姆定律、牛顿运动定律、相关数学知识等
电磁感应中的电路问题
电磁感应中的“双杆”模型