高中物理 第1章 电磁感应章末总结学案 教科版选修3-2

【步步高 学案导学设计】2015-2016学年高中物理 第1章 电磁感应章末总结 教科版选修3-2电磁感应一、对楞次定律的理解与应用楞次定律反映这样一个物理规律：原磁通量变化时产生感应电流，感应电流的磁场(方向由右手螺旋定则判定)阻碍原磁通量的变化1感应电流的磁场不一定与原磁场方向相反，只在磁通量增大时两者才相反，而在磁通量减小时两者是同向的2“阻碍”并不是“阻止”，而是“延缓”，电路中的磁通量还是在变化，只不过变化得慢了3“阻碍”的表现：增反减同、增缩减扩、增离减靠、来拒去留例1圆形导体线圈a平放在水平桌面上，在a的正上方固定一竖直螺线管b，二者轴线重合，螺线管与电源和滑动变阻器连接成如图1所示的电路若将滑动变阻器的滑片P向下滑动，下列表述正确的是 ()图1A线圈a中将产生顺时针方向(俯视)的感应电流B穿过线圈a的磁通量变小C线圈a有扩张的趋势D线圈a对水平桌面的压力N将增大解析通过螺线管b的电流如图所示，根据右手螺旋定则判断出螺线管b所产生的磁场方向竖直向下，滑片P向下滑动，接入电路的电阻减小，电流增大，所产生的磁场的磁感应强度增大，根据楞次定律可知，a线圈中所产生的感应电流生成的磁场方向竖直向上，再由右手螺旋定则可得线圈a中的感应电流方向为逆时针方向(俯视)，A错误；由于螺线管b中的电流增大，所产生的磁感应强度增大，线圈a中的磁通量应变大，B错误；根据楞次定律可知，线圈a有缩小的趋势，线圈a对水平桌面的压力增大，C错误，D正确答案D二、电磁感应中的图像问题1图像问题的类型：一是给出电磁感应过程，选出或画出正确图像；二是由给定的有关图像分析电磁感应过程，求解相应的物理量2应用的规律：(1)利用法拉第电磁感应定律计算感应电动势的大小(2)利用楞次定律或右手定则判定感应电流的方向(3)应用公式FBIL和左手定则计算或判断安培力的大小或方向例2将一段导线绕成如图2甲所示的闭合电路，并固定在纸面内，回路的ab边置于垂直纸面向里的匀强磁场中回路的圆环区域内有垂直纸面的磁场，以向里为磁场的正方向，其磁感应强度B随时间t变化的图像如图乙所示用F表示ab边受到的安培力，以水平向右为F的正方向，能正确反映F随时间t变化的图像是()图2解析由题图乙可知0时间内，磁感应强度随时间线性变化，即k(k是一个常数)，圆环的面积S不变，由E可知圆环中产生的感应电动势大小不变，则回路中的感应电流大小不变，ab边受到的安培力大小不变，从而可排除选项C、D；0时间内，由楞次定律可判断出流过ab边的电流方向为由b至a，结合左手定则可判断出ab边受到的安培力的方向向左，为负值，故选项A错误，B正确答案B三、电磁感应中的电路问题1首先要找到哪一部分导体相当于电源，分清内、外电路处于磁通量变化的磁场中的线圈或切割磁感线的导体相当于电源，该部分导体的电阻相当于内电阻；而其余部分的电路则是外电路2路端电压、感应电动势和某段导体两端的电压三者的区别：(1)某段导体作为电阻时，它两端的电压等于电流与其电阻的乘积；(2)某段导体作为电源时，它两端的电压就是路端电压，等于电流与外电阻的乘积，或等于电动势减去内电压(3)某段导体作为电源时，电路断路时导体两端的电压等于感应电动势例3如图3所示，光滑金属导轨PN与QM相距1 m，电阻不计，两端分别接有电阻R1和R2，且R16 ，R23 ，ab导体棒的电阻为2 .垂直穿过导轨平面的匀强磁场的磁感应强度为1 T现使ab以恒定速度v3 m/s匀速向右移动，求：图3(1)导体棒上产生的感应电动势E；(2)R1与R2消耗的电功率分别为多少；(3)拉ab棒的水平向右的外力F为多大解析(1)ab棒匀速切割磁感线，产生的电动势为EBLv3 V(2)电路的总电阻为Rr4 由欧姆定律得I AUEIr1.5 V电阻R1消耗的电功率为P1 W电阻R2消耗的电功率P2 W(3)由平衡条件得FBIL N.答案(1)3 V(2) W W(3) N四、电磁感应中的动力学问题解决这类问题的关键在于通过运动状态的分析来寻找过程中的临界状态，如速度、加速度取最大值或最小值的条件等1做好受力情况、运动情况的动态分析：导体运动产生感应电动势感应电流通电导体受安培力合外力变化加速度变化速度变化感应电动势变化周而复始循环，最终加速度等于零，导体达到稳定运动状态2利用好导体达到稳定状态时的平衡关系式，往往是解答该类问题的突破口例4如图4所示，相距为L的两条足够长的光滑平行金属导轨与水平面的夹角为，上端接有定值电阻R，匀强磁场垂直于导轨平面，磁感应强度为B.将质量为m的导体棒由静止释放，当速度达到v时开始匀速运动，此时对导体棒施加一平行于导轨向下的拉力，并保持拉力的功率恒为P，导体棒最终以2v的速度匀速运动导体棒始终与导轨垂直且接触良好，不计导轨和导体棒的电阻，重力加速度为g.下列选项正确的是 ()图4AP2mgvsin BP3mgvsin C当导体棒速度达到时加速度大小为sin D在导体棒速度达到2v以后匀速运动的过程中，R上产生的焦耳热等于拉力所做的功解析当导体棒的速度达到v时，对导体棒进行受力分析如图甲所示甲mgsin BIL，I，所以mgsin 当导体棒的速度达到2v时，对导体棒进行受力分析如图乙所示乙mgsin F由可得Fmgsin 功率PF2v2mgvsin ，故A正确，B错误当导体棒速度达到时，对导体棒受力分析如图丙所示a丙由可得asin ，故C正确当导体棒的速度达到2v时，安培力等于拉力和mgsin 之和，所以以后匀速运动的过程中，R上产生的焦耳热等于拉力和重力做功之和，故D错误答案AC五、电磁感应中的能量问题1能量观点分析(1)电磁感应现象中产生感应电流的过程，实质上是能量的转化过程(2)电磁感应过程中产生的感应电流在磁场中必定受到安培力的作用，因此，要维持感应电流的存在，必须有“外力”克服安培力做功此过程中，其他形式的能转化为电能“外力”克服安培力做了多少功，就有多少其他形式的能转化为电能2求解思路(1)若回路中电流恒定，可以利用电路结构及WUIt或QI2Rt直接进行计算(2)若电流变化，则：利用克服安培力做的功求解，电磁感应中产生的电能等于克服安培力所做的功；利用能量守恒求解，若只有电能与机械能的转化，则机械能的减少量等于产生的电能例5如图5所示，一对光滑的平行金属导轨固定在同一水平面内，导轨间距l0.5 m，左端接有阻值R0.3 的电阻一质量m0.1 kg、电阻r0.1 的金属棒MN放置在导轨上，整个装置置于竖直向上的匀强磁场中，磁场的磁感应强度B0.4 T金属棒在水平向右的外力作用下，由静止开始以a2 m/s2的加速度做匀加速运动，当金属棒的位移x9 m时撤去外力，金属棒继续运动一段距离后停下来，已知撤去外力前后回路中产生的焦耳热之比Q1Q221.导轨足够长且电阻不计，金属棒在运动过程中始终与导轨垂直且两端与导轨保持良好接触求：图5(1)金属棒在匀加速运动过程中，通过电阻R的电荷量q；(2)撤去外力后回路中产生的焦耳热Q2；(3)外力F做的功WF.解析(1)设金属棒匀加速运动的时间为t，回路的磁通量的变化量为，回路中的平均感应电动势为，由法拉第电磁感应定律得其中Blx设回路中的平均电流为，由闭合电路欧姆定律得则通过电阻R的电荷量为qt联立式，得q代入数据得q4.5 C(2)设撤去外力时金属棒的速度为v，对于金属棒的匀加速运动过程，由运动学公式得v22ax设金属棒在撤去外力后的运动过程中安培力所做的功为W，由动能定理得W0mv2撤去外力后回路中产生的焦耳热Q2W联立式，代入数据得Q21.8 J(3)由题意知，撤去外力前后回路中产生的焦耳热之比Q1Q221，可得Q13.6 J在金属棒运动的整个过程中，外力F克服安培力做功，由功能关系可知WFQ1Q2由式得WF5.4 J.答案(1)4.5 C(2)1.8 J(3)5.4 J1(楞次定律的理解与应用)如图6所示，竖直放置的螺线管与导线abcd构成回路，导线所在区域内有一垂直纸面向里变化的磁场，螺线管下方水平桌面上有一导体圆环，导线abcd所围区域内磁场的磁感应强度按下列哪一图线所表示的方式随时间变化时，导体圆环将受到向上的安培力作用()图6答案A解析导体圆环受到向上的安培力作用，根据楞次定律的另一种表述，可见原磁场磁通量减小，即螺线管和abcd构成的回路中产生的感应电流在减小根据法拉第电磁感应定律，EnS，则感应电流In，可知减小时，感应电流才减小，A选项中减小，B选项中增大，C、D选项中不变，所以A正确，B、C、D错误2. (电磁感应中的图像问题)如图7所示，磁场垂直于纸面向外，磁场的磁感应强度随x按BB0kx(x0，B0、k为常量)的规律均匀增大位于纸面内的正方形导线框abcd处于磁场中，在外力作用下始终保持dc边与x轴平行向右匀速运动若规定电流沿abcda的方向为正方向，则从t0到tt1的时间间隔内，下列选项中关于该导线框中产生的电流i随时间t变化的图像正确的是()图7答案A解析线框abcd向右匀速运动，穿过导线框的磁通量均匀增加，由法拉第电磁感应定律知导线框中产生恒定电流，由楞次定律知导线框中产生顺时针方向的电流，选项A正确3. (电磁感应中的电路问题)如图8所示，由均匀导线制成的半径为R的圆环，以速度v匀速进入一磁感应强度大小为B的有界匀强磁场，边界如图中虚线所示当圆环运动到图示位置(aOb90)时，a、b两点的电势差为 ()图8A.BRv B.BRvC.BRv D.BRv答案D4(电磁感应中的能量问题)如图9所示，一粗糙的平行金属轨道平面与水平面成角，两轨道上端与一电阻R相连，该装置处于匀强磁场中，磁场方向垂直轨道平面向上质量为m的金属杆ab以初速度v0从轨道底端向上滑行，滑行到某高度h后又返回到底端若运动过程中金属杆始终保持与导轨垂直且接触良好，轨道与金属杆的电阻均忽略不计则下列说法正确的是 ()图9A金属杆上滑过程与下滑过程通过电阻R的电荷量一样多B金属杆上滑过程中克服重力、安培力与摩擦力所做的功之和大于mvC金属杆上滑过程与下滑过程因摩擦而产生的内能一定相等D金属杆在整个过程中损失的机械能等于装置产生的焦耳热答案AC解析金属杆在轨道上滑行时平均电动势E，通过的电荷量QItt，故上滑和下滑时通过电阻R的电荷量相同；根据能量守恒定律知，金属杆上滑过程中克服重力、安培力与摩擦力所做的功之和等于减少的动能mv，金属杆上滑过程与下滑过程中所受摩擦力大小相等，移动的位移大小相等，故因摩擦而产生的内能一定相等，根据能量守恒定律可知整个过程中损失的机械能等于装置产生的焦耳热和摩擦产生的内能之和，故A、C正确，B、D错误5(电磁感应中的动力学问题)如图10所示，固定于水平桌面上足够长的两平行光滑导轨PQ、MN，其电阻不计，间距d0.5 m，P、M之间接有一只理想电压表，整个装置处于竖直向下的磁感应强度B00.2 T的匀强磁场中，两金属棒L1、L2平行地搁在导轨上，其电阻均为r0.1 ，质量分别为M10.3 kg和M20.5 kg.