2019年高考物理一輪復(fù)習(xí)第十章電磁感應(yīng)第2講法拉第電磁感應(yīng)定律自感現(xiàn)象學(xué)案.doc

2019年高考物理一輪復(fù)習(xí)第十章電磁感應(yīng)第2講法拉第電磁感應(yīng)定律自感現(xiàn)象學(xué)案【知識點(diǎn)1】法拉第電磁感應(yīng)定律1感應(yīng)電動(dòng)勢(1)概念：在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生的電動(dòng)勢。(2)產(chǎn)生條件：穿過回路的磁通量發(fā)生改變，與電路是否閉合無關(guān)。(3)方向判斷：感應(yīng)電動(dòng)勢的方向用楞次定律或右手定則來判斷。2法拉第電磁感應(yīng)定律(1)內(nèi)容：閉合電路中感應(yīng)電動(dòng)勢的大小，跟穿過這一電路的磁通量的變化率成正比。(2)公式：En，其中n為線圈匝數(shù)。(3)感應(yīng)電流與感應(yīng)電動(dòng)勢的關(guān)系：遵守閉合電路歐姆定律，即I。(4)導(dǎo)體切割磁感線時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢【知識點(diǎn)2】自感、渦流1互感現(xiàn)象兩個(gè)互相靠近的線圈，當(dāng)一個(gè)線圈中的電流變化時(shí)，它所產(chǎn)生的變化的磁場會在另一個(gè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的現(xiàn)象。2自感現(xiàn)象(1)定義：當(dāng)一個(gè)線圈中的電流變化時(shí)，它產(chǎn)生的變化的磁場在它本身激發(fā)出感應(yīng)電動(dòng)勢。(2)自感電動(dòng)勢定義：由于自感而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢。表達(dá)式：EL。自感系數(shù)L相關(guān)因素：與線圈的大小、形狀、圈數(shù)以及是否有鐵芯有關(guān)。單位：亨利(H)，1 mH103 H,1 H106 H。3渦流當(dāng)線圈中的電流發(fā)生變化時(shí)，在它附近的任何導(dǎo)體中都會產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流像水的旋渦，所以叫渦電流，簡稱渦流。(1)電磁阻尼：當(dāng)導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電流會使導(dǎo)體受到安培力，安培力的方向總是阻礙導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)。(2)電磁驅(qū)動(dòng)：如果磁場相對于導(dǎo)體轉(zhuǎn)動(dòng)，在導(dǎo)體中會產(chǎn)生感應(yīng)電流使導(dǎo)體受到安培力的作用，安培力使導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)起來。交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)就是利用電磁驅(qū)動(dòng)的原理工作的。(3)電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)的原理體現(xiàn)了楞次定律的推廣應(yīng)用。板塊二考點(diǎn)細(xì)研悟法培優(yōu)考點(diǎn)1法拉第電磁感應(yīng)定律的應(yīng)用拓展延伸1磁通量、磁通量的變化量、磁通量的變化率的比較提示：、的大小之間沒有必然的聯(lián)系，0，不一定等于0；感應(yīng)電動(dòng)勢E與線圈匝數(shù)n有關(guān)，但、的大小均與線圈匝數(shù)無關(guān)。2應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律En時(shí)應(yīng)注意(1)研究對象：En的研究對象是一個(gè)回路，而不是一段導(dǎo)體。(2)物理意義：En求的是t時(shí)間內(nèi)的平均感應(yīng)電動(dòng)勢，當(dāng)t0時(shí)，則E為瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢。3法拉第電磁感應(yīng)定律應(yīng)用的三種情況(1)磁通量的變化是由面積變化引起時(shí)，BS，則En。(2)磁通量的變化是由磁場變化引起時(shí)，BS，則En，S是磁場范圍內(nèi)的有效面積。(3)磁通量的變化是由于面積和磁場變化共同引起的，則根據(jù)定義求，末初，En。4在圖象問題中磁通量的變化率是t圖象上某點(diǎn)切線的斜率，利用斜率和線圈匝數(shù)可以確定感應(yīng)電動(dòng)勢的大小。例1如圖所示，固定在勻強(qiáng)磁場中的水平導(dǎo)軌ab、cd的間距L10.5 m，金屬棒ad與導(dǎo)軌左端bc的距離為L20.8 m，整個(gè)閉合回路的電阻為R0.2 ，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B01 T的勻強(qiáng)磁場豎直向下穿過整個(gè)回路。ad桿通過滑輪和輕繩連接著一個(gè)質(zhì)量為m0.04 kg的物體，不計(jì)一切摩擦，現(xiàn)使磁場以0.2 T/s的變化率均勻地增大。求：(1)金屬棒上電流的方向；(2)感應(yīng)電動(dòng)勢的大?。?3)經(jīng)過多長時(shí)間物體剛好離開地面(g取10 m/s2)。(1)如何判定金屬棒上電流的方向？提示：用楞次定律。(2)物體剛好離地時(shí)，金屬桿上的安培力的大小與方向如何？提示：ad棒受力平衡，mgF安，水平向左。嘗試解答(1)ad_(2)0.08_V_(3)5_s。(1)原磁場方向豎直向下，回路中磁通量增大，由楞次定律可知感應(yīng)電流的磁場方向豎直向上，由安培定則可知金屬棒上電流的方向ad。(2)由法拉第電磁感應(yīng)定律可知：EnnS面積：SL1L20.4 m2由已知條件得：n1，0.2 T/s由已知條件：BB0t以上各式聯(lián)立解得：t5 s?？偨Y(jié)升華法拉第電磁感應(yīng)定律的規(guī)范應(yīng)用(1)一般解題步驟：分析穿過閉合電路的磁場方向及磁通量的變化情況；利用楞次定律確定感應(yīng)電流的方向；靈活選擇法拉第電磁感應(yīng)定律的不同表達(dá)形式列方程求解。(2)應(yīng)注意的問題：(a)用公式EnS求感應(yīng)電動(dòng)勢時(shí)，S為線圈在磁場范圍內(nèi)的有效面積，在Bt圖象中為圖線的斜率。(b)EnB通過回路的電荷量q僅與n、和回路電阻R有關(guān)，與變化過程所用的時(shí)間長短無關(guān)，推導(dǎo)過程：qtt。xx郴州模擬(多選)如圖所示，線圈內(nèi)有理想邊界的磁場，開關(guān)閉合，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度減小時(shí)，有一帶電微粒靜止于水平放置的平行板電容器中間，若線圈的匝數(shù)為n，平行板電容器的板間距離為d，粒子的質(zhì)量為m，帶電荷量為q，線圈面積為S，則下列判斷中正確的是()A帶電微粒帶負(fù)電B線圈內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化率為C當(dāng)下極板向上移動(dòng)時(shí)，帶電微粒將向上運(yùn)動(dòng)D當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，帶電微粒將做自由落體運(yùn)動(dòng)答案BC解析當(dāng)磁場減小時(shí)，由楞次定律和安培定則可判定，上極板帶負(fù)電，根據(jù)粒子受力平衡可判斷應(yīng)帶正電，A錯(cuò)誤；對微粒mgFq而UnS。則，B正確；當(dāng)下極板向上移動(dòng)時(shí)，d減小，板間電壓不變，則板間場強(qiáng)增大，微粒所受電場力增大，微粒將向上運(yùn)動(dòng)，C正確；開關(guān)斷開時(shí)，板間電壓不變，故微粒仍靜止，D錯(cuò)誤?？键c(diǎn)2導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的計(jì)算深化理解1導(dǎo)體平動(dòng)切割磁感線對于導(dǎo)體平動(dòng)切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的計(jì)算式EBlv，應(yīng)從以下幾個(gè)方面理解和掌握。(1)正交性本公式是在一定條件下得出的，除了磁場是勻強(qiáng)磁場，還需B、l、v三者相互垂直。當(dāng)它們不相互垂直時(shí)，應(yīng)取垂直的分量進(jìn)行計(jì)算。公式可為EBlvsin，當(dāng)B與l垂直時(shí)，為B與v方向間的夾角；當(dāng)B與v垂直時(shí)，為B與l間的夾角。(2)平均性導(dǎo)體平動(dòng)切割磁感線時(shí)，若v為平均速度，則E為平均感應(yīng)電動(dòng)勢，即Bl。(3)瞬時(shí)性若v為瞬時(shí)速度，則E為相應(yīng)的瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢。(4)有效性公式中的l為導(dǎo)體有效切割長度，即導(dǎo)體在與v共同所在平面上垂直于v的方向上的投影長度。下圖中有效長度分別為：甲圖：lcdsin(容易錯(cuò)算成labsin)。乙圖：沿v1方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，lMN；沿v2方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，l0。丙圖：沿v1方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，lR；沿v2方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，l0；沿v3方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，lR。(5)相對性EBlv中的速度v是相對于磁場的速度，若磁場也運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)注意速度間的相對關(guān)系。2.導(dǎo)體轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁感線當(dāng)導(dǎo)體在垂直于磁場的平面內(nèi)，繞一端以角速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢為EBlBl2，如圖所示。(1)以中點(diǎn)為軸時(shí)，E0(相同兩段的代數(shù)和)；(2)以端點(diǎn)為軸時(shí)，EBl2(平均速度取中點(diǎn)位置的線速度l)；(3)以任意點(diǎn)為軸時(shí)，EB(ll)(不同兩段的代數(shù)和)。例2如圖所示，將一根絕緣硬金屬導(dǎo)線彎曲成一個(gè)完整的正弦曲線形狀，它通過兩個(gè)小金屬環(huán)a、b與長直金屬桿導(dǎo)通，圖中a、b間距離為L，導(dǎo)線組成的正弦圖形頂部或底部到桿的距離都是d。右邊虛線范圍內(nèi)存在磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B、方向垂直于彎曲導(dǎo)線所在平面的勻強(qiáng)磁場，磁場區(qū)域的寬度為，現(xiàn)在外力作用下導(dǎo)線沿桿以恒定的速度v向右運(yùn)動(dòng)，t0時(shí)刻a環(huán)剛從O點(diǎn)進(jìn)入磁場區(qū)域，則下列說法正確的是()A在t時(shí)刻，回路中的感應(yīng)電動(dòng)勢為BdvB在t時(shí)刻，回路中的感應(yīng)電動(dòng)勢為2BdvC在t時(shí)刻，回路中的感應(yīng)電流第一次改變方向D在t時(shí)刻，回路中的感應(yīng)電流第一次改變方向(1)在動(dòng)生電動(dòng)勢公式EBlv中，B、l與v三者的關(guān)系？提示：必須兩兩垂直，若不垂直必須分解。(2)導(dǎo)體棒的長度就是公式EBlv中的“l(fā)”嗎？提示：不是，式中的l指的是有效長度。嘗試解答選D。當(dāng)t時(shí)，閉合回路的位置如圖1，此時(shí)的有效長度為零，感應(yīng)電動(dòng)勢也為零，A選項(xiàng)錯(cuò)誤，此時(shí)的感應(yīng)電流也為零，電流為零是電流方向改變的時(shí)刻，D選項(xiàng)正確。當(dāng)t時(shí)，閉合回路的位置如圖2，有效長度為d，感應(yīng)電動(dòng)勢EBdv，B選項(xiàng)錯(cuò)誤。在t時(shí)刻，閉合回路的位置如圖3，有效長度為d，電流大小I，電流不為零，電流方向不變，C選項(xiàng)錯(cuò)誤?？偨Y(jié)升華如圖所示，豎直平面內(nèi)有一金屬環(huán)，半徑為a，總電阻為R(指拉直時(shí)兩端的電阻)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場垂直穿過環(huán)平面，在環(huán)的最高點(diǎn)A用鉸鏈連接長度為2a、電阻為的導(dǎo)體棒AB，AB由水平位置緊貼環(huán)面擺下，當(dāng)擺到豎直位置時(shí)，B點(diǎn)的線速度為v，則這時(shí)AB兩端的電壓大小為()A. B. C. DBav答案A解析當(dāng)擺到豎直位置時(shí)，棒上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢為EB2a2BaBav，而AB兩端的電壓為路端電壓，根據(jù)閉合電路歐姆定律得：AB兩端電壓為UIBav，故A正確?？键c(diǎn)3通電自感和斷電自感對比分析例3如圖所示，線圈L的自感系數(shù)很大，且其電阻可以忽略不計(jì)，L1、L2是兩個(gè)完全相同的小燈泡，隨著開關(guān)S閉合和斷開的過程中，L1、L2的亮度變化情況是(燈絲不會斷)()AS閉合，L1亮度不變，L2亮度逐漸變亮，最后兩燈一樣亮；S斷開，L2立即不亮，L1逐漸變亮BS閉合，L1亮度不變，L2很亮；S斷開，L1、L2立即不亮CS閉合，L1、L2同時(shí)亮，而后L1逐漸熄滅，L2亮度不變；S斷開，L2立即不亮，L1亮一下才滅DS閉合，L1、L2同時(shí)亮，而后L1逐漸熄滅，L2則逐漸變得更亮；S斷開，L2立即熄滅，L1亮一下才滅(1)當(dāng)自感電流滿足什么條件時(shí)，燈泡L1才會閃一下？提示：當(dāng)自感電流大于電路穩(wěn)定時(shí)燈泡L1的原電流時(shí)燈泡才會閃一下。(2)斷開開關(guān)S瞬間，通過自感線圈的電流方向變嗎？提示：不變。嘗試解答選D。S閉合瞬間，自感線圈L相當(dāng)于一個(gè)大電阻，以后阻值逐漸減小到0，所以觀察到的現(xiàn)象是燈泡L1和L2同時(shí)亮，以后L1逐漸變暗到熄滅，L2逐漸變得更亮。S斷開瞬間，自感線圈相當(dāng)于一個(gè)電動(dòng)勢逐漸減小的內(nèi)阻不計(jì)的電源，它與燈泡L1組成閉合回路，所以L2立即熄滅，L1亮一下才熄滅。所以A、B、C選項(xiàng)都是錯(cuò)誤的，只有D選項(xiàng)正確。總結(jié)升華1自感線圈扮演的四個(gè)角色(1)剛閉合電路時(shí)，線圈這一支路相當(dāng)于開路即此時(shí)I0；此時(shí)自感線圈等效于一個(gè)無限大的電阻。(2)電路閉合一段時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定后，線圈等效于無阻導(dǎo)線或電阻。(3)從閉合到電路穩(wěn)定這一段時(shí)間內(nèi)，自感線圈等效于一個(gè)變化的電阻，這個(gè)電阻從無限大逐漸減小為一個(gè)一般電阻或無阻導(dǎo)線。(4)電路剛斷開時(shí)，線圈等效于一個(gè)電源，與其他電路元件可以組成一個(gè)新的回路，線圈的電流方向與穩(wěn)定工作時(shí)保持一致，自感電流的大小不會超過斷電前瞬間線圈電流的大小，從斷電前的電流大小開始逐漸減小。2斷電自感現(xiàn)象中燈泡是否“閃亮”問題的判斷，在于對電流大小的分析，若斷電后通過燈泡的電流比原來強(qiáng)，則燈泡先閃亮一下再逐漸熄滅。1.(多選)如圖甲、乙所示的電路中，電阻R和自感線圈L的電阻值都很小，且小于燈泡A的電阻，接通S，使電路達(dá)到穩(wěn)定，燈泡A發(fā)光，則()A在電路甲中，斷開S后，A將逐漸變暗B在電路甲中，斷開S后，A將先變得更亮，然后才逐漸變暗C在電路乙中，斷開S后，A將逐漸變暗D在電路乙中，斷開S后，A將先變得更亮，然后才逐漸變暗答案AD解析在電路甲中，燈A和線圈L串聯(lián)，它們的電流相同，斷開S時(shí)，線圈上產(chǎn)生自感電動(dòng)勢，阻礙原通過它的電流減小，但流過燈A的電流仍逐漸減小，故燈A逐漸變暗。在電路乙中，電阻R和燈A串聯(lián)，燈A的電阻大于線圈L的電阻，電流則小于線圈L中的電流，斷開S時(shí)，電源不再給燈供電，而線圈產(chǎn)生自感電動(dòng)勢阻礙通過它本身的電流減小，通過R、A形成回路，燈A中電流突然變大，燈A變得更亮，然后漸漸變暗，故A、D正確。2. 如圖所示的電路，開關(guān)原先閉合，電路處于穩(wěn)定狀態(tài)，在某一時(shí)刻突然斷開開關(guān)S，則通過電阻R1中的電流I1隨時(shí)間變化的圖線可能是下圖中的()答案D解析斷電自感中，自感線圈中的感應(yīng)電流阻礙原電流減小，但不能阻止原電流減小，所以自感線圈中的電流是在原電流的基礎(chǔ)上逐漸減小到0，并且變化率也逐漸減小，則斷開S后，通過電阻R1的電流I1突然反向，大小變?yōu)镮2，然后逐漸變?yōu)榱?，所以D選項(xiàng)正確。(20分)如圖所示，兩根足夠長、電阻不計(jì)、間距為d0的光滑平行金屬導(dǎo)軌，其所在平面與水平面夾角為，導(dǎo)軌平面內(nèi)的矩形區(qū)域abcd內(nèi)存在有界勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B、方向垂直于斜面向上，ab與cd之間相距為L，金屬桿甲、乙的阻值相同，質(zhì)量均為m。甲桿在磁場區(qū)域的上邊界ab處，乙桿在甲桿上方與甲桿相距L處，甲、乙兩桿都與導(dǎo)軌垂直且接觸良好。由靜止釋放兩桿的同時(shí)，在甲桿上施加一個(gè)垂直于桿平行于導(dǎo)軌的外力F，使甲桿在有磁場的矩形區(qū)域內(nèi)向下做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，加速度大小a2gsin，甲離開磁場時(shí)撤去F，乙桿進(jìn)入磁場后恰好做勻速運(yùn)動(dòng)，然后離開磁場。(1)求每根金屬桿的電阻R是多大？(2)從釋放金屬桿開始計(jì)時(shí)，求外力F隨時(shí)間t的變化關(guān)系式，并說明F的方向。(3)若整個(gè)過程中，乙金屬桿共產(chǎn)生熱量Q，求外力F對甲金屬桿做的功W是多少？審題抓住信息，準(zhǔn)確推斷 破題形成思路，快速突破(1)由乙桿恰好做勻速運(yùn)動(dòng)，可以列出平衡方程。提示：mgsinBI1d0, I1(2)如何求得乙進(jìn)入磁場速度？提示：動(dòng)能定理mgLsinmv。(3)如何求得F，對哪個(gè)桿進(jìn)行受力分析？提示：對甲桿FmgsinBId0m2gsin。(4)求F做功應(yīng)利用什么規(guī)律求解。提示：分過程對甲桿和乙桿進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化分析。解題規(guī)范步驟，水到渠成(1)設(shè)甲在磁場區(qū)域abcd內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t1，乙從開始運(yùn)動(dòng)到ab位置的時(shí)間為t2，則由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式得L2gsint，Lgsint解得t1，t2(1分)因?yàn)閠1<t2，所以甲離開磁場時(shí)，乙還沒有進(jìn)入磁場。(1分)設(shè)乙進(jìn)入磁場時(shí)的速度為v1，乙中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢為E1，回路中的電流為I1，則mvmgLsin(1分)E1Bd0v1(1分)I1(1分)mgsinBI1d0(1分)解得R(1分)(2)從釋放金屬桿開始計(jì)時(shí)，設(shè)經(jīng)過時(shí)間t，甲的速度為v，甲中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢為E，回路中的電流為I，外力為F，則vat(1分)EBd0v(1分)I(1分)FmgsinBId0ma(1分)a2gsin聯(lián)立以上各式解得Fmgsinmgsint(1分)方向垂直于桿平行于導(dǎo)軌向下。(1分)(3)甲在磁場運(yùn)動(dòng)過程中，乙沒有進(jìn)入磁場，設(shè)甲離開磁場時(shí)速度為v0，甲、乙產(chǎn)生的熱量相同，均設(shè)為Q1，則v2aL(1分)WmgLsin2Q1mv(2分)解得W2Q1mgLsin乙在磁場運(yùn)動(dòng)過程中，甲、乙產(chǎn)生相同的熱量，均設(shè)為Q2，則2Q2mgLsin(2分)根據(jù)題意有QQ1Q2(1分)解得W2Q(1分)點(diǎn)題突破瓶頸，穩(wěn)拿滿分此題關(guān)鍵點(diǎn)，先確定運(yùn)動(dòng)過程即甲離開磁場時(shí)，乙還未進(jìn)入磁場，這樣其實(shí)就轉(zhuǎn)化為“單棒”切割問題了，當(dāng)然受力情況和能量轉(zhuǎn)化也就清晰了。