2023高考物理二轮总复习 专题微课4-5 智破大题-力电结合突破“电路与电磁感应”大题

专题微课4.5智破大题—力电结合，突破“电路与电磁感应”大题一、演练真题——品悟多维考法高考对“电路与电磁感应”的计算题的考查形式多样，有时考单杆运动切割，有时考双杆运动切割，还有时考线框运动切割，考查的知识有牛顿运动定律、闭合电路的欧姆定律、法拉第电磁感应定律等。(1)ab边进入磁场前，线框在水平方向和竖直方向的加速度大小；(2)磁场的磁感应强度大小和线框进入磁场的整个过程中回路产生的焦耳热；(3)磁场区域的水平宽度。解析：(1)ab边进入磁场前，对线框进行受力分析，在水平方向有max＝Fcosθ代入数据有ax＝20m/s2在竖直方向有may＝Fsinθ－mg代入数据有ay＝10m/s2。[考法·考情]本题的创新点在于线框与磁场边界成一定的角度运动，不但上边框切割磁场，而且左右两个边框也切割磁场，这对考生有一定的干扰性，而实际上左右两边受到的安培力是相互抵消的。在相对简单的运动情境中设置一定的干扰条件进行创新是高考常用的手段之一，应引起重视。(1)求着陆装置接触到月球表面后瞬间线框ab边产生的电动势E0；(2)通过画等效电路图，求着陆装置接触到月球表面后瞬间流过ab的电流I0；(3)求船舱匀速运动时的速度大小v；(4)同桌小张认为在磁场上方、两导轨之间连接一个电容为C的电容器，在着陆减速过程中还可以回收部分能量，在其他条件均不变的情况下，求船舱匀速运动时的速度大小v′和此时电容器所带电荷量q。[考法·考情]本题命题背景新颖，阅读量大，考查考生对题目有效信息的提取能力和建模能力。解答本题的关键在于结合题目信息画等效电路图，然后利用牛顿运动定律和电学知识求解。

二、系统思维——内化解题路径对于“电路与电磁感应”的计算题，无论是单杆运动切割、双杆运动切割，还是线框运动切割，分析思路大体相同，总体的解题策略是力电结合。1．理顺两个对象——电学对象和力学对象电磁感应中导体棒或线框既可视为电学对象(因为它相当于电源)，又可视为力学对象(因为感应电流的存在而受到安培力)，而感应电流I和导体棒的速度v则是联系这两个对象的纽带。2．做好两个分析——电学分析和力学分析解决导体棒或线框在磁场中运动问题的策略是“力电结合，综合分析”：[例1]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＝0.4m。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均为B＝0.5T。在区域

Ⅰ

中，将质量m1＝0.1kg、电阻R1＝0.1Ω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＝0.4kg、电阻R2＝0.1Ω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，取g＝10m/s2，问：(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有多大；(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＝3.8m，此过程中ab上产生的热量Q是多少。[思维路径]从电学角度分析1.场的分析——身在何处ab金属条所在的场区磁场方向垂直于导轨平面向下，cd导体棒所在场区磁场方向垂直于导轨平面向上，磁感应强度大小均为B＝0.5T。2.路的分析——怎么运动cd导体棒沿斜导轨向下运动，切割磁感线，产生感应电动势E＝BLv，相当于电源，回路中电流的方向为cabdc，ab为外电路，总电阻为R1＋R2。从力学角度分析3.力的分析——是何原因(1)ab金属条在cd运动之前刚好能静止，说明m1gsinθ＝Fmax；ab金属条刚要上滑时必有F安＝m1gsinθ＋Fmax。(2)cd导体棒沿导轨加速下滑时，m2gsinθ>F安，当m2gsinθ＝F安时才达到最大速度。4.能的分析——如何转化cd导体棒切割磁感线产生感应电流，安培力对cd做负功，重力做正功，cd导体棒的重力势能的减少量一部分转化为cd的动能，另一部分转化为整个回路的焦耳热，而ab上产生的热量Q仅是其中的一部分。续表[答案]

(1)由a流向b

(2)5m/s

(3)1.3J[例2]如图所示，足够长的水平轨道左侧b1b2～c1c2部分轨道间距为2L，右侧c1c2～d1d2部分的轨道间距为L，曲线轨道与水平轨道相切于b1b2，所有轨道均光滑且电阻不计。在水平轨道内有斜向下与竖直方向成θ＝37°的匀强磁场，磁感应强度大小为B＝0.1T。质量为M＝0.2kg的金属棒B垂直于导轨静止放置在右侧窄轨道上，质量为m＝0.1kg的金属棒A自曲线轨道上a1a2处由静止释放，两金属棒在运动过程中始终相互平行且与导轨保持良好接触，A棒总在宽轨上运动，B棒总在窄轨上运动。已知：两金属棒接入电路的有效电阻均为R＝0.2Ω，h＝0.2m，L＝0.2m，sin37°＝0.6，cos37°＝0.8，g＝10m/s2，求：(1)金属棒A滑到b1b2处时的速度大小；(2)金属棒B匀速运动的速度大小；(3)在两棒整个的运动过程中，通过金属棒A某截面的电荷量；(4)在两棒整个的运动过程中，金属棒A、B在水平导轨间扫过的面积之差。[解题指导]从电学角度分析1.场的分析——身在何处由a1a2→b1b2的区域没有磁场，由b1b2→d1d2整个区域有斜向下与竖直方向夹角为37°的匀强磁场B，B＝0.1T。2.路的分析——怎么运动金属棒A进入b1b2右侧区域之前的过程中没有感应电动势产生，进入b1b2右侧区域后，金属棒A切割磁感线，产生电动势，金属棒B因受安培力作用向右加速，也切割磁感线，产生电动势，但二者电动势方向相反，当两电动势大小相等时，回路中电流为零，两金属棒均做匀速直线运动。续表从力学角度分析

5.动量分析——是否守恒(1)金属棒A进入b1b2右侧后，因回路中电流大小相等，金属棒A的有效长度为2L，金属棒B的有效长度为L，故两金属棒所受安培力在水平方向的分力并不满足等大反向，故两金属棒组成的系统动量不守恒。(2)由动量定理可知，因金属棒A的安培力在水平方向的分力始终为金属棒B所受安培力在水平方向的分力的2倍，因此，金属棒A动量的减少量是金属棒B的增加量的2倍。(3)对金属棒B的运动过程应用动量定理：∑(iLBcosθ·Δt)＝MvB－0而q＝∑iΔt，可求出感应电荷量。续表三、攻坚破障——疏通关键环节面对“电路与电磁感应”的计算题，考生往往感觉无从下手，即找不到解题的关键点，其原因是不会从“研究对象”和“运动过程”两个角度切入，只有分析透“研究对象”和“运动过程”，才能使解题事半功倍。(1)金属棒在磁场中运动时所受安培力的大小；(2)金属棒的质量以及金属棒与导体框之间的动摩擦因数；(3)导体框匀速运动的距离。[关键点拨]关注研究对象本题包括金属棒和导体框两个物体先后切割磁感线运动，需要分别对两个物体受力分析，判断它们的受力和运动情况。关注运动过程运动过程可分为4个阶段：第1阶段：金属棒进入磁场前，金属棒和导体框在光滑斜面上做匀加速直线运动；