2019-2020年高中物理第一章電磁感應(yīng)第五節(jié)電磁感應(yīng)規(guī)律的應(yīng)用學案粵教版.doc

2019-2020年高中物理第一章電磁感應(yīng)第五節(jié)電磁感應(yīng)規(guī)律的應(yīng)用學案粵教版學習目標1.理解什么是法拉第電機.2.掌握電磁感應(yīng)現(xiàn)象中電路問題的分析方法和解題基本思路.3.能解決電磁感應(yīng)中的能量問題一、法拉第電機導學探究(1)參考課本法拉第圓盤發(fā)電機的構(gòu)造圖，簡單說明法拉第圓盤發(fā)電機產(chǎn)生電流的原因(2)如圖1所示，當將導體棒和電阻組成閉合電路時，電路的哪部分相當于電源？電源的正極和負極在電路的哪個位置？電源內(nèi)部電流方向如何？圖1答案(1)法拉第電機的圓盤是由無數(shù)根輻條組成的，每根輻條做切割磁感線運動，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，電路閉合時產(chǎn)生感應(yīng)電流(2)ab導體棒相當于電源，a是電源正極，b是電源負極，電源內(nèi)部電流由負極流向正極知識梳理1轉(zhuǎn)動切割磁感線產(chǎn)生的電動勢導體棒的一端為軸轉(zhuǎn)動切割磁感線：由vr可知各點線速度隨半徑按線性規(guī)律變化，切割速度用中點的線速度替代，即v或v.感應(yīng)電動勢EBl2.2感應(yīng)電動勢的方向圖1中導體棒ab在轉(zhuǎn)動切割磁感線時產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，相當于電源，如果它與用電器連接構(gòu)成閉合電路，則產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向由b向a(右手定則)，而電源內(nèi)部電流方向是由負極流向正極，所以a為電動勢的正極，b為電動勢的負極即學即用一直升機停在南半球的地磁極上空該處地磁場的方向豎直向上，磁感應(yīng)強度為B.直升機螺旋槳葉片的長度為l，螺旋槳轉(zhuǎn)動的頻率為f，順著地磁場的方向看螺旋槳，螺旋槳按順時針方向轉(zhuǎn)動，螺旋槳葉片的近軸端為a，遠軸端為b，如圖2所示，如果忽略a到轉(zhuǎn)軸中心線的距離，每個葉片中的感應(yīng)電動勢E_，且a點電勢_b點電勢(填“高于”或“低于”)圖2答案fl2B低于二、電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化導學探究(1)如圖3所示，兩根足夠長的直金屬導軌MN、PQ平行放置在傾角為的絕緣斜面上，兩導軌間距為L，M、P兩點間接有阻值為R的電阻，一根質(zhì)量為m的均勻直金屬桿ab放在兩導軌上，并與導軌垂直，整套裝置處于磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中，磁場方向垂直于斜面向下，導軌和金屬桿的電阻可忽略不計，讓ab桿沿導軌由靜止開始下滑，導軌和金屬桿接觸良好，不計它們之間的摩擦試在同一圖中畫出該電路的側(cè)視圖和金屬桿ab的受力分析圖圖3(2)電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的“阻礙”就是能量守恒的具體體現(xiàn)，在這種“阻礙”的過程中，其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能分析上圖金屬桿下滑過程中的何種形式的能轉(zhuǎn)化為電能？還可能有哪幾種形式的能量轉(zhuǎn)化？答案(1)如圖所示(2)金屬桿在下滑過程中金屬桿的重力勢能轉(zhuǎn)化為電能，如果金屬桿的速度增大，金屬桿的重力勢能還有一部分轉(zhuǎn)化為金屬桿的動能知識梳理在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的那部分導體相當于電源如果電路閉合，電路中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，而導體又處在磁場中，因此導體將受到安培力的作用，如圖4所示導體ab向右運動，會產(chǎn)生由b流向a的感應(yīng)電流，在磁場中，通電導體ab要受到向左的安培力作用圖4電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生的電能是通過克服安培力做功轉(zhuǎn)化而來的克服安培力做了多少功，就有多少電能產(chǎn)生，而這些電能又通過電流做功而轉(zhuǎn)化為其他形式的能因此，電磁感應(yīng)現(xiàn)象符合能量守恒定律即學即用如圖5所示，勻強磁場方向豎直向下，磁感應(yīng)強度為B.正方形金屬框abcd可繞光滑軸OO轉(zhuǎn)動，邊長為L，總電阻為R，ab邊質(zhì)量為m，其他三邊質(zhì)量不計，現(xiàn)將abcd拉至水平位置，并由靜止釋放，經(jīng)一定時間到達豎直位置，ab邊的速度大小為v，則在金屬框內(nèi)產(chǎn)生的熱量大小等于_圖5答案mgLmv2一、電磁感應(yīng)中的電路問題電磁感應(yīng)問題常與電路知識綜合考查，解決此類問題的基本方法是：(1)明確哪部分電路或?qū)w產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，該電路或?qū)w就相當于電源，其他部分是外電路(2)畫等效電路圖，分清內(nèi)、外電路(3)用法拉第電磁感應(yīng)定律En或EBLv確定感應(yīng)電動勢的大小，用楞次定律或右手定則確定感應(yīng)電流的方向在等效電源內(nèi)部，電流方向從負極指向正極(4)運用閉合電路歐姆定律、串并聯(lián)電路特點、電功率、電熱等公式聯(lián)立求解例1固定在勻強磁場中的正方形導線框abcd邊長為L，其中ab是一段電阻為R的均勻電阻絲，其余三邊均為電阻可以忽略的銅線磁感應(yīng)強度為B，方向垂直紙面向里現(xiàn)有一段與ab段的材料、粗細、長度均相同的電阻絲PQ架在導線框上(如圖6所示)若PQ以恒定的速度v從ad滑向bc，當其滑過的距離時，通過aP段的電流是多大？方向如何？圖6答案方向由P到a解析PQ在磁場中做切割磁感線運動產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，由于是閉合回路，故電路中有感應(yīng)電流，可將電阻絲PQ視為有內(nèi)阻的電源，電阻絲aP與bP并聯(lián)，且RaPR、RbPR，于是可畫出如圖所示的等效電路圖電源電動勢為EBvL，外電阻為R外R.總電阻為R總R外rRR，即R總R.電路中的電流為：I.通過aP段的電流為：IaPI，方向由P到a.1“電源”的確定方法：“切割”磁感線的導體(或磁通量發(fā)生變化的線圈)相當于“電源”，該部分導體(或線圈)的電阻相當于“內(nèi)電阻”2電流的流向：在“電源”內(nèi)部電流從負極流向正極，在“電源”外部電流從正極流向負極針對訓練1用均勻?qū)Ь€做成的正方形線框邊長為0.2m，正方形的一半放在垂直紙面向里的勻強磁場中，如圖7所示當磁場以10T/s的變化率增強時，線框上a、b兩點間的電勢差是()圖7AUab0.1VBUab0.1VCUab0.2VDUab0.2V答案B解析穿過正方形線框左半部分的磁通量變化而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而在線框中產(chǎn)生感應(yīng)電流，把左半部分線框看成電源，設(shè)其電動勢為E，正方形線框的總電阻為r，則內(nèi)電阻為，畫出等效電路如圖所示則a、b兩點間的電勢差即為電源的路端電壓，設(shè)l是邊長，且依題意知10T/s.由E得E10V0.2V，所以UIV0.1V由于a點電勢低于b點電勢，故Uab0.1V，即B選項正確二、電磁感應(yīng)中的能量問題1電磁感應(yīng)中能量的轉(zhuǎn)化電磁感應(yīng)過程實質(zhì)是不同形式的能量相互轉(zhuǎn)化的過程，其能量轉(zhuǎn)化方式為：2求解電磁感應(yīng)現(xiàn)象中能量問題的一般思路(1)確定回路，分清電源和外電路(2)分析清楚有哪些力做功，明確有哪些形式的能量發(fā)生了轉(zhuǎn)化如：有滑動摩擦力做功，必有內(nèi)能產(chǎn)生；有重力做功，重力勢能必然發(fā)生變化；克服安培力做功，必然有其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，并且克服安培力做多少功，就產(chǎn)生多少電能；如果安培力做正功，就是電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能(3)列有關(guān)能量的關(guān)系式例2如圖8所示，足夠長的平行光滑U形導軌傾斜放置，所在平面的傾角37，導軌間的距離L1.0m，下端連接R1.6的電阻，導軌電阻不計，所在空間存在垂直于導軌平面向上的勻強磁場，磁感應(yīng)強度B1.0T質(zhì)量m0.5kg、電阻r0.4的金屬棒ab垂直置于導軌上，現(xiàn)用沿導軌平面且垂直于金屬棒、大小為F5.0N的恒力使金屬棒ab從靜止開始沿導軌向上滑行，當金屬棒滑行s2.8m后速度保持不變求：(sin370.6，cos370.8，g10m/s2)圖8(1)金屬棒勻速運動時的速度大小v；(2)金屬棒從靜止到剛開始勻速運動的過程中，電阻R上產(chǎn)生的熱量QR.答案(1)4m/s(2)1.28J解析(1)金屬棒勻速運動時產(chǎn)生的感應(yīng)電流為I由平衡條件有FmgsinBIL代入數(shù)據(jù)解得v4m/s.(2)設(shè)整個電路中產(chǎn)生的熱量為Q，由能量守恒定律有QFsmgssinmv2而QRQ，代入數(shù)據(jù)解得QR1.28J.針對訓練2水平放置的光滑平行導軌上放置一根長為L、質(zhì)量為m的導體棒ab，ab處在磁感應(yīng)強度大小為B、方向如圖9所示的勻強磁場中，導軌的一端接一阻值為R的電阻，導軌及導體棒電阻不計現(xiàn)使ab在水平恒力F作用下由靜止沿垂直于磁場的方向運動，當通過的位移為s時，ab達到最大速度vm.此時撤去外力，最后ab靜止在導軌上在ab運動的整個過程中，下列說法正確的是()圖9A撤去外力后，ab做勻減速運動B合力對ab做的功為FsCR上釋放的熱量為FsmvDR上釋放的熱量為Fs答案D解析撤去外力后，導體棒水平方向只受安培力作用，而F安，F(xiàn)安隨v的變化而變化，故導體棒做加速度變化的變速運動，A錯；對整個過程由動能定理得W合Ek0，B錯；由能量守恒定律知，恒力F做的功等于整個回路產(chǎn)生的電能，電能又轉(zhuǎn)化為R上釋放的熱量，即QFs，C錯，D正確1如圖10所示，由均勻?qū)Ь€制成的半徑為R的圓環(huán)，以速度v勻速進入一磁感應(yīng)強度大小為B的勻強磁場當圓環(huán)運動到圖示位置(aOb90)時，a、b兩點的電勢差為()圖10A.BRvB.BRvC.BRvD.BRv答案D解析設(shè)整個圓環(huán)電阻是r，則其外電阻是圓環(huán)總電阻的，而在磁場內(nèi)切割磁感線的有效長度是R，其相當于電源，EBRv，根據(jù)歐姆定律可得UEBRv，選項D正確2.如圖11所示，豎直平面內(nèi)有一金屬圓環(huán)，半徑為a，總電阻為R(指拉直時兩端的電阻)，磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場垂直穿過環(huán)平面，與環(huán)的最高點A用鉸鏈連接長度為2a、電阻為的導體棒AB，AB由水平位置緊貼環(huán)面擺下，當擺到豎直位置時，B點的線速度為v，則這時AB兩端的電壓大小為()圖11A.B.C.DBav答案A解析擺到豎直位置時，AB切割磁感線的瞬時感應(yīng)電動勢EB2a(v)Bav.由閉合電路歐姆定律有UABBav，故選A.3.如圖12所示，豎直放置的兩根平行金屬導軌之間接有定值電阻R，質(zhì)量不能忽略的金屬棒與兩導軌始終保持垂直并良好接觸且無摩擦，棒與導軌的電阻均不計，整個裝置放在勻強磁場中，磁場方向與導軌平面垂直，棒在豎直向上的恒力F作用下加速上升的一段時間內(nèi)，力F做的功與安培力做的功的代數(shù)和等于()圖12A棒的機械能增加量B棒的動能增加量C棒的重力勢能增加量D電阻R上產(chǎn)生的熱量答案A解析棒加速上升時受到重力、拉力F及安培力根據(jù)功能關(guān)系可知，力F與安培力做的功的代數(shù)和等于棒的機械能的增加量，A正確4.長為l的金屬棒ab以a點為軸在垂直于勻強磁場的平面內(nèi)以角速度做勻速轉(zhuǎn)動，如圖13所示，磁感應(yīng)強度為B.求：圖13(1)ab棒的平均速率；(2)ab兩端的電勢差；(3)經(jīng)時間t金屬棒ab所掃過面積中磁通量為多少？此過程中平均感應(yīng)電動勢多大？答案(1)l(2)Bl2(3)Bl2tBl2解析(1)ab棒的平均速率l.(2)ab兩端的電勢差：EBlBl2.(3)經(jīng)時間t金屬棒ab所掃過的扇形面積為S，則：Sl2l2t，BSBl2t.由法拉第電磁感應(yīng)定律得：Bl2.一、選擇題(18題為單選題，911題為多選題)1.如圖1所示，設(shè)磁感應(yīng)強度為B，ef長為l，ef的電阻為r，外電阻為R，其余電阻不計當ef在外力作用下向右以速度v勻速運動時，則ef兩端的電壓為()圖1ABlvB.C.D.答案B2.如圖2所示，邊長為L的正方形線圈與勻強磁場垂直，磁感應(yīng)強度為B.當線圈按圖示方向以速度v垂直B運動時，下列判斷正確的是()圖2A線圈中無電流，abcdB線圈中無電流，abdcC線圈中有電流，abcdD線圈中有電流，abdc答案B解析線圈在運動過程中，穿過線圈的磁通量不變，所以在線圈中不會產(chǎn)生感應(yīng)電流，C、D錯誤導線兩端有電勢差，根據(jù)右手定則，可知B正確3.如圖3所示，導體棒AB的長為2R，繞O點以角速度勻速轉(zhuǎn)動，OB長為R，且O、B、A三點在一條直線上，有一磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場充滿轉(zhuǎn)動平面且與轉(zhuǎn)動平面垂直，那么AB兩端的電勢差大小為()圖3A.BR2B2BR2C4BR2D6BR2答案C解析A點線速度vA3R，B點線速度vBR，AB棒切割磁感線的平均速度2R，由EBLv得，AB兩端的電勢差大小為EB2R4BR2，C正確4.如圖4，直角三角形金屬框abc放置在勻強磁場中，磁感應(yīng)強度大小為B，方向平行于ab邊向上當金屬框繞ab邊以角速度逆時針轉(zhuǎn)動時，a、b、c三點的電勢分別為a、b、c.已知bc邊的長度為l.下列判斷正確的是()圖4Aac，金屬框中無電流Bbc，金屬框中電流方向沿abcaCbcBl2，金屬框中無電流DbcBl2，金屬框中電流方向沿acba答案C解析金屬框abc平面與磁場平行，轉(zhuǎn)動過程中磁通量始終為零，所以無感應(yīng)電流產(chǎn)生，選項B、D錯誤轉(zhuǎn)動過程中bc邊和ac邊均切割磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，由右手定則判斷a<c，b<c，選項A錯誤由轉(zhuǎn)動切割產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的公式得UbcBl2，選項C正確5如圖5所示，紙面內(nèi)有一矩形導體閉合線框abcd，ab邊長大于bc邊長，置于垂直紙面向里、邊界為MN的勻強磁場外，線框兩次勻速地完全進入磁場，兩次速度大小相同，方向均垂直于MN.第一次ab邊平行MN進入磁場，線框上產(chǎn)生的熱量為Q1，通過線框?qū)w橫截面的電荷量為q1；第二次bc邊平行于MN進入磁場，線框上產(chǎn)生的熱量為Q2，通過線框?qū)w橫截面的電荷量為q2，則 ()圖5AQ1Q2，q1q2BQ1Q2，q1q2CQ1Q2，q1q2DQ1Q2，q1q2答案A解析根據(jù)功能關(guān)系知，線框上產(chǎn)生的熱量等于克服安培力做的功，即Q1W1F1lbclbclab同理Q2lbc，又lablbc，故Q1Q2；因qtt，故q1q2.因此A正確6.如圖6所示，邊長為L的正方形導線框質(zhì)量為m，由距磁場H高處自由下落，其下邊ab進入勻強磁場后，線圈開始做減速運動，直到其上邊dc剛剛穿出磁場時，速度減為ab邊剛進入磁場時的一半，磁場的寬度也為L，則線框穿越勻強磁場過程中產(chǎn)生的焦耳熱為()圖6A2mgLB2mgLmgHC2mgLmgHD2mgLmgH答案C解析設(shè)線框剛進入磁場時的速度為v1，剛穿出磁場時的速度v2線框自開始進入磁場到完全穿出磁場共下落高度為2L.由題意得mvmgHmvmg2LmvQ由得Q2mgLmgH.C選項正確7如圖7所示，足夠長的平行金屬導軌傾斜放置，傾角為37，寬度為0.5m，電阻忽略不計，其上端接一小燈泡，電阻為1.一導體棒MN垂直導軌放置，質(zhì)量為0.2kg，接入電路的電阻為1，兩端與導軌接觸良好，與導軌間的動摩擦因數(shù)為0.5.在導軌間存在著垂直于導軌平面的勻強磁場，磁感應(yīng)強度為0.8T將導體棒MN由靜止釋放，運動一段時間后，小燈泡穩(wěn)定發(fā)光，此后導體棒MN的運動速度以及小燈泡消耗的電功率分別為(重力加速度g取10m/s2，sin370.6)()圖7A2.5m/s1 W B5 m/s1WC7.5m/s9 W D15 m/s9W答案B解析導體棒MN勻速下滑時受力如圖所示，由平衡條件可得F安mgcos37mgsin37，所以F安mg(sin37cos37)0.4N，由F安BIL得I1A，所以EI(R燈RMN)2V，導體棒的運動速度v5m/s，小燈泡消耗的電功率為P燈I2R燈1W正確選項為B.8如圖8所示，MN和PQ是電阻不計的平行金屬導軌，其間距為L，導軌彎曲部分光滑，平直部分粗糙，二者平滑連接右端接一個阻值為R的定值電阻平直部分導軌左邊區(qū)域有寬度為d、方向豎直向上、磁感應(yīng)強度大小為B的勻強磁場質(zhì)量為m、電阻也為R的金屬棒從高度為h處由靜止釋放，到達磁場右邊界處恰好停止已知金屬棒與平直部分導軌間的動摩擦因數(shù)為，金屬棒與導軌間始終垂直且接觸良好則金屬棒穿過磁場區(qū)域的過程中 ()圖8A流過金屬棒的最大電流為B通過金屬棒的電荷量為C克服安培力所做的功為mghD金屬棒產(chǎn)生的焦耳熱為(mghmgd)答案D解析金屬棒下滑到底端時的速度為v，感應(yīng)電動勢EBLv，所以流過金屬棒的最大電流為I；通過金屬棒的電荷量為q；克服安培力所做的功為Wmghmgd；電路中產(chǎn)生的焦耳熱等于克服安培力做的功，所以金屬棒產(chǎn)生的焦耳熱為(mghmgd)選項D正確9.如圖9所示，在直流電流附近有一根金屬棒ab，當金屬棒以b端為圓心，以ab為半徑，在過導線的平面內(nèi)勻速旋轉(zhuǎn)到圖中虛線位置時()圖9Aa端聚積電子Bb端聚積電子C金屬棒內(nèi)電場強度等于零Da>b答案BD解析因金屬棒所在區(qū)域的磁場的方向垂直于紙面向外，當金屬棒轉(zhuǎn)動時，由右手定則可知，a端的電勢高于b端的電勢，b端聚積電子，選項B、D正確，A錯誤；因a、b兩端存在電壓，由E知，金屬棒內(nèi)電場強度不為零，故C錯誤10如圖10所示，位于一水平面內(nèi)的兩根平行的光滑金屬導軌，處在勻強磁場中，磁場方向垂直于導軌所在的平面，導軌的一端與一電阻相連具有一定質(zhì)量的金屬桿ab放在導軌上并與導軌垂直現(xiàn)用一平行于導軌的恒力F拉桿ab，使它由靜止開始向右運動桿和導軌的電阻、感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場均可不計用E表示回路中的感應(yīng)電動勢，i表示回路中的感應(yīng)電流，在i隨時間增大的過程中，電阻消耗的功率等于 ()圖10AF的功率B安培力的功率的絕對值CF與安培力的合力的功率DiE答案BD11.如圖11所示，兩根光滑的金屬導軌，平行放置在傾角為的斜面上，導軌的左端接有電阻R，導軌自身的電阻可忽略不計斜面處在一勻強磁場中，磁場方向垂直于斜面向上質(zhì)量為m、電阻可以忽略不計的金屬棒ab，在沿著斜面且與棒垂直的恒力F作用下沿導軌勻速上滑，且上升的高度為h，在這一過程中 ()圖11A作用于金屬棒上的各個力的合力所做的功等于零B作用于金屬棒上的各個力的合力所做的功等于mgh與電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱之和C恒力F與安培力的合力所做的功等于零D恒力F與重力的合力所做的功等于電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱答案AD解析金屬棒勻速上滑的過程中，對金屬棒受力分析可知，有三個力對金屬棒做功，恒力F做正功，重力做負功，安培力阻礙相對運動，沿斜面向下，做負功勻速運動時，所受合力為零，故合力做功為零，A正確；克服安培力做多少功就有多少其他形式的能轉(zhuǎn)化為電路中的電能，電能又等于R上產(chǎn)生的焦耳熱，故恒力F與重力的合力所做的功等于電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱，D正確二、非選擇題12.勻強磁場的磁感應(yīng)強度B0.2T，磁場寬度l4m，一正方形金屬框邊長為l1m，每邊的電阻r0.2，金屬框以v10m/s的速度勻速穿過磁場區(qū)，其平面始終保持與磁感線方向垂直，如圖12所示求：圖12(1)畫出金屬框穿過磁場區(qū)的過程中，各階段的等效電路圖；(2)畫出金屬框穿過磁場區(qū)的過程中，金屬框內(nèi)感應(yīng)電流的it圖線；(要求寫出作圖依據(jù))(3)畫出ab兩端電壓的Ut圖線(要求寫出作圖依據(jù))答案見解析解析(1)如圖(a)所示，金屬框的運動過程分為三個階段：第階段cd相當于電源；第階段cd和ab相當于開路時兩并聯(lián)的電源；第階段ab相當于電源，各階段的等效電路圖分別如圖(b)、(c)、(d)所示(2)、(3)第階段，有I12.5A.感應(yīng)電流方向沿逆時針方向，持續(xù)時間為t10.1s.ab兩端的電壓為U1I1r2.50.2V0.5V在第階段，有I20，ab兩端的電壓U2EBlv2Vt2s0.3s在第階段，有I32.5A感應(yīng)電流方向為順時針方向ab兩端的電壓U3I33r1.5V，t30.1s規(guī)定逆時針方向為電流正方向，故it圖象和ab兩端Ut圖象分別如圖甲、乙所示