高考物理总复习配套课件932电磁感应规律的综合应用二动力学和能量

1、电磁感应规律的综合应用(二)(动力学和能量) 知识点一电磁感应现像中的动力学问题 记一记 1安培力的大小 F 2安培力的方向 (1)先用判定感应电流方向，再用判定安培力方向。 (2)根据楞次定律，安培力的方向一定和导体切割磁感线运动方向。,BIl,右手定则,左手定则,相反,试一试 1如图所示，ab和cd是位于水平面内 的平行金属轨道，轨道间距为l，其电阻 可忽略不计。ac之间连接一阻值为R的电 阻，ef为一垂直于ab和cd的金属杆，它与ab和cd接触良好并可沿轨道方向无摩擦地滑动，其电阻可忽略。整个装置处在匀强磁场中，磁场方向垂直于图中纸面向里，磁感应强度为B。当施外力使杆ef以速度v向右匀速

2、运动时，杆ef所受的安培力为(),【答案】 A,知识点二电磁感应现像中的能量问题 记一记 1电磁感应现像的实质是的能和之间的转化。 2感应电流在磁场中受安培力，外力克服安培力做功，将其他形式的能转化为，电流做功再将转化为其他形式的能。 3电流做功产生的热量与做功相等。,其他形式,电能,电能,电能,安培力,试一试 2判断下列说法的正误，对的打“”，错的打“”。 (1)在电路中，安培力做功，电能转化为其他形式的能。() (2)在电路中，安培力做正功，电能完全转化为电路的 内能。() (3)在电路中，电流做功，电能转化为其他形式的能。 () (4)电路中的电能增加，外力一定克服安培力做了功。 ()

3、【答案】 (1)(2)(3)(4),导体棒的动力学分析 电磁感应现像中产生的感应电流在磁场中受到安培力的作用，从而影响导体棒(或线圈)的受力情况和运动情况。 1导体的两种运动状态 (1)导体的平衡状态静止状态或匀速直线运动状态。 (2)导体的非平衡状态加速度不为零。 2处理方法 根据牛顿第二定律进行动态分析或结合功能关系分析。,3导体的运动分析流程,【例1】 如图所示，间距l0.3 m的平行金属导轨a1b1c1和a2b2c2分别固定在两个竖直面内。在水平面a1b1b2a2区域内和倾角37的斜面c1b1b2c2区域内分别有磁感应强度B10.4 T、方向竖直向上和B21 T、方向垂直于斜面向上的匀

4、强磁场。电阻R0.3 、质量m10.1 kg、长为l的相同导体杆K、S、Q分别放置在导轨上，S杆的两端固定在b1、b2点，K、Q杆可沿导轨无摩擦滑动且始终接触良好。一端系于K杆中点的轻绳平行于导轨绕过轻质定滑轮自然下垂，绳上穿有质量m20.05 kg的小环。已知小环以a6 m/s2的加速度沿绳下滑，K杆保持静止，Q杆在垂直于杆且沿斜面向下的拉力F作用下匀速运动。,不计导轨电阻和滑轮摩擦，绳不可伸长。取g10 m/s2，sin 370.6，cos 370.8。求： (1)小环所受摩擦力的大小； (2)Q杆所受拉力的瞬时功率。 【解题探究】 (1)请判断导体杆Q中的电流方向。 【提示】 导体杆Q沿

5、导轨向下匀速切割磁感线，由右手定则可以判断其电流方向由内向外。,(2)请画出该电路的等效电路图。 【提示】 (3)请画出小环、导体杆K、导体杆Q的受力分析图。,【提示】 设流过K的电流为I 【自主解答】_,【解析】 (1)以小环为研究对像，由牛顿第二定律m2gFfm2a 代入数据得Ff0.2 N。 (2)设流过杆K的电流为I，由平衡条件得FfIlB1 对杆Q，根据并联电路特点以及平衡条件得2IlB2Fm1gsin 由法拉第电磁感应定律的推论得 EB2lv,【答案】 (1)0.2 N(2)2 W,【总结提升】 用“四步法”分析电磁感应中的动力学问题 解决电磁感应中的动力学问题的一般思路是“先电后

6、力”，具体思路如下： (1)先进行“源”的分析分离出电路中由电磁感应所产生的电源，求出电源参数E和r； (2)再进行“路”的分析分析电路结构，弄清串、并联关系，求出相关部分的电流大小，以便求解安培力； (3)然后是“力”的分析分析研究对像(常是金属杆、导体线圈等)的受力情况，尤其注意其所受的安培力； (4)接着进行“运动”状态的分析根据力和运动的关系，判断出正确的运动模型。,变式训练1 (2013重庆理综)小明在研 究性学习中设计了一种可测量磁感应 强度的实验，其装置如图所示。在该 实验中，磁铁固定在水平放置的电子 测力计上，此时电子测力计的读数为G1，磁铁两极之间的磁场可视为水平匀强磁场，其

7、余区域磁场不计。直铜条AB的两端通过导线与一电阻连接成闭合回路，总阻值为R。若让铜条水平且垂直于磁场，以恒定的速率v在磁场中竖直向下运动，这时电子测力计的读数为G2，铜条在磁场中的长度为L。 (1)判断铜条所受安培力的方向，G1和G2哪个大？ (2)求铜条匀速运动时所受安培力的大小和磁感应强度的大小。,【解析】 (1)铜条静止时： 磁铁平衡，G1M磁铁g 铜条匀速运动时： 磁铁与铜条整体处于平衡状态， G2(M磁铁M铜条)g 对铜条AB：匀速下落平衡F安M铜条g 由可知G2G1 由式可知安培力方向与重力方向相反，竖直向上。,1电磁感应过程的实质是不同形式的能量转化的过程，而能量的转化是通过安培

8、力做功的形式实现的，安培力做功的过程，是电能转化为其他形式能的过程，外力克服安培力做功，则是其他形式的能转化为电能的过程。 2能量转化及焦耳热的求法 (1)能量转化,(2)求解焦耳热Q的三种方法,【例2】 如图所示，电阻可忽略的 光滑平行金属导轨长s1.15 m，两导 轨间距L0.75 m，导轨倾角为30， 导轨上端ab接一阻值R1.5 的电阻， 磁感应强度B0.8 T的匀强磁场垂直轨道平面向上。阻值r0.5 ，质量m0.2 kg的金属棒与轨道垂直且接触良好，从轨道上端ab处由静止开始下滑至底端，在此过程中金属棒产生的焦耳热Qr0.1 J。(取g10 m/s2)求： (1)金属棒在此过程中克服

9、安培力做的功W安； (2)金属棒下滑速度v2 m/s时的加速度a。,【解题探究】 (1)金属棒下滑过程中克服安培力做的功与能量转化存在什么关系？ 【提示】 金属棒克服安培力做的功等于金属棒和电阻R上产生的焦耳热。 (2)请画出金属棒下滑过程中的受力分析图。 【提示】 【自主解答】_,【答案】 (1)0.4 J(2)3.2 m/s2,【总结提升】 电磁感应中的功能观点 电磁感应过程往往涉及多种能量的转化，从功和能的观点入手，分析清楚电磁感应过程中能量转化的关系，是解决电磁感应中能量问题的重要途径。 (1)如上述例题中金属棒ab沿导轨由静止下滑时，重力势能减少，一部分用来克服安培力做功，转化为感应

10、电流的电能，最终在电阻上转化为焦耳热，另一部分转化为金属棒的动能。 (2)若导轨足够长，棒最终达到稳定状态匀速运动时，重力势能的减少则完全用来克服安培力做功，转化为感应电流的电能。,变式训练2 (2014聊城模拟)如图甲所示，水平面上两根足够长的光滑金属导轨平行固定放置，间距为L0.5 m，一端通过导线与阻值为R0.5 的电阻连接；导轨上放一质量为m0.5 kg的导体棒，导体棒与导轨的电阻忽略不计；导轨所在位置有磁感应强度为B1 T的匀强磁场，磁场的方向垂直导轨平面向上，现在给导体棒施加一水平向右的恒定拉力F，并每隔0.2 s测量一次导体棒的速度，图乙是根据所测数据描绘出导体棒的v t图像。求

11、：,(1)力F的大小； (2)t2 s时导体棒的加速度； (3)估算3.2 s内电阻上产生的热量。,【答案】 (1)5 N(2)4 m/s2(3)60 J,电磁感应中的“杆导轨”模型 1模型构建 对杆在导轨上运动组成的系统，杆在运动中切割磁感线产生感应电动势，并受到安培力的作用改变运动状态最终达到稳定的运动状态，该系统称为“杆导轨”模型。,2模型分类及其特点,【典例】 如图所示，两根足够长的光滑平行金属导轨MN、PQ间距为l0.5 m，其电阻不计，两导轨及其构成的平面均与水平面成30角。完全相同的两金属棒ab、cd分别垂直导轨放置，每棒两端都与导轨始终有良好接触。已知两棒质量均为m0.02 k

12、g，电阻均为R0.1 ，整个装置处在垂直于导轨平面向上的匀强磁场中，磁感应强度B0.2 T，棒ab在平行于导轨向上的力F作用下，沿导轨向上匀速运动，而棒cd恰好能够保持静止。取g10 m/s2，求：,(1)通过棒cd的电流I是多少，方向如何？ (2)棒ab受到的力F多大？ (3)棒cd每产生Q0.1 J的热量，力F做的功W是多少？,【深度剖析】 (1)棒cd受到的安培力为FcdIlB 棒cd在共点力作用下平衡，则Fcdmgsin 30 由式代入数值得：I1 A 根据楞次定律可知，棒cd中电流方向由d至c。 (2)棒ab与棒cd受到的安培力大小相等，FabFcd 对棒ab，由共点力平衡条件得：F

13、mgsin 30IlB 代入数据解得：F0.2 N。 (3)设在时间t内棒cd产生Q0.1 J的热量，由焦耳定律知 QI2Rt 设棒ab匀速运动的速度大小为v，其产生的感应电动势 EBlv,【答案】 (1)1 A，cd棒中的电流方向由d至c(2)0.2 N(3)0.4 J,【名师指津】 电磁感应的研究对像及其相互制约关系,变式训练 如图甲所示，不计电阻的、光滑的平行金属导轨竖直放置，导轨间距为L1 m，上端接有电阻R3 ，虚线OO下方是垂直于导轨平面的匀强磁场。现将质量m0.1 kg、电阻r1 的金属杆ab从OO上方某处垂直导轨由静止释放，杆下落过程中始终与导轨保持良好接触，杆下落过程中的vt

14、图像如图乙所示(取g10 m/s2)。求：,(1)磁感应强度B的大小； (2)杆在磁场中下落0.1 s的过程中电阻R产生的热量。,【解析】 (1)由图像知，杆自由下落0.1 s进入磁场以v1.0 m/s做匀速运动， 产生的电动势EBLv 杆中的电流I 杆所受安培力F安ILB 由平衡条件得mgF安 代入数据得B2 T。 (2)电阻R产生的热量 QI2Rt0.075 J。 【答案】 (1)2 T(2)0.075 J,1(2013天津理综)如图所示，纸面内 有一矩形导体闭合线框abcd，ab边长大于 bc边长，置于垂直纸面向里、边界为MN 的匀强磁场外，线框两次匀速地完全进入磁场，两次速度大小相同，

15、方向均垂直于MN。第一次ab边平行MN进入磁场，线框上产生的热量为Q1，通过线框导体横截面的电荷量为q1；第二次bc边平行MN进入磁场，线框上产生的热量为Q2，通过线框导体横截面的电荷量为q2，则(),【答案】 A,2(2013安徽理综)如图所示，足够长 平行金属导轨倾斜放置，倾角为37， 宽度为0.5 m，电阻忽略不计，其上端 接一小灯泡，电阻为1 。一导体棒MN 垂直于导轨放置，质量为0.2 kg，接入电路的电阻为1 ，两端与导轨接触良好，与导轨间的动摩擦因数为0.5。在导轨间存在着垂直于导轨平面的匀强磁场，磁感应强度为0.8 T。将导体棒MN由静止释放，运动一段时间后，小灯泡稳定发 光，

16、此后导体棒MN的运动速度以及小灯泡消耗的电功率分别为(重力加速度g取10 m/s2，sin 370.6)(),A2.5 m/s1 W B5 m/s1 W C7.5 m/s9 W D15 m/s9 W 【答案】 B,3(2012山东理综)如图所示，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

17、列选项正确的是(),【答案】 AC,4如图所示，边长为L的正方形 金属框ABCD在水平恒力F作用下， 穿过宽度为d的有界匀强磁场。已 知dL，AB边始终与磁场边界平 行。若线框AB边进入磁场时，线框恰好做匀速直线运动。则线框AB边穿过磁场的过程和CD边穿过磁场的过程相比较() A线框中感应电流的方向相反 B线框均做匀速直线运动 C水平恒力F做的功相等 D线框中产生的电能相等,【解析】 根据右手定则，线框AB边穿过磁场的过程中，感应电流方向是逆时针的，线框CD边穿过磁场的过程中，感应电流方向是顺时针的，电流方向相反，选项A正确；在线框AB边已经穿出磁场而CD边还没有进入磁场时，线框不受安培力，做加速运动，当线框CD边进入磁场后，线框受到的安培力会大于F，线框做减速运动，选项B错误；水平恒力做的功等于水平恒力乘位移，两个过程位移相等，所以两个过程恒力F做的功相等，选项C正确；两个过程中产生的电能等于线框克服安培力做的功，由于安培力