高考物理一輪復習 第1部分 專題2 第2講 能量觀點在電磁學中的應用課件

第第2 2講講能量觀點在電磁學中的應用能量觀點在電磁學中的應用1(2011 年四川卷)如圖 221 所示，間距 l0.3 m 的平行金屬導軌a1b1c1和 a2b2c2分別固定在兩個豎直面內(nèi)，在水平面 a1b1b2a2區(qū)域內(nèi)和傾角37的斜面 c1b1b2c2區(qū)域內(nèi)分別有磁感應強度 B10.4 T、方向豎直向上和 B21 T、方向垂直于斜面向上的勻強磁場電阻 R0.3 、質(zhì)量 m10.1 kg、長為c的相同導體桿 K、S、Q 分別放置在導軌上，S 桿的兩端固定在 b1、b2圖 221點，K、Q 桿可沿導軌無摩擦滑動且始終接觸良好一端系于 K 桿中點的輕繩平行于導軌繞過輕質(zhì)定滑輪自然下垂，繩上穿有質(zhì)量 m20.05 kg 的小環(huán)已知小環(huán)以 a6 m/s2 的加速度沿繩下滑，K 桿保持靜止，Q 桿在垂直于桿且沿斜面向下的拉力 F 作用下勻速運動不計導軌電阻和滑輪摩擦，繩不可伸長取 g10 m/s2，sin 370.6，cos 370.8.求：(1)小環(huán)所受摩擦力的大小；(2)Q 桿所受拉力的瞬時功率2(2011 年北京卷)利用電場和磁場，可以將比荷不同的離子分開，這種方法在化學分析和原子核技術(shù)等領(lǐng)域有重要的應用如圖 222 所示的矩形區(qū)域 ACDG(AC 邊足夠長)中存在垂直于紙面的勻強磁場，A 處有一夾縫離子源產(chǎn)生的離子，經(jīng)靜電場加速后穿過夾縫沿垂直于 GA 邊且垂直于磁場的方向射入磁場，運動到 GA 邊，被相應的收集器收集，整個裝置內(nèi)部為真空圖 222 已知被加速的兩種正離子的質(zhì)量分別是 m1 和 m2(m1m2)，電荷量均為 q.加速電場的電勢差為 U，離子進入電場時的初速度可以忽略，不計重力，也不考慮離子間的相互作用(1)求質(zhì)量為 m1 的離子進入磁場時的速率 v1；(2)當磁感應強度的大小為 B 時，求兩種離子在 GA 邊落點的間距 s；(3)在前面的討論中忽略了夾縫寬度的影響，實際裝置中夾縫具有一定寬度若夾縫過寬，可能使兩束離子在 GA 邊上的落點區(qū)域交疊，導致兩種離子無法完全分離設(shè)磁感應強度大小可調(diào)，GA 邊長為定值 L，夾縫寬度為d，夾縫右邊緣在 A 處；離子可以從夾縫各處射入磁場，入射方向仍垂直于 GA 邊且垂直于磁場為保證上述兩種離子能落在 GA 邊上并被完全分離，求夾縫的最大寬度3(2011 年天津卷)如圖 223 所示，兩根足夠長的光滑平行金屬導軌 MN、PQ 間距離為 l0.5 m，其電阻不計，兩導軌及其構(gòu)成的平面均與水平面成 30角完全相同的兩金屬棒 ab、cd 分別垂直導軌放置，每棒兩端都與導軌始終有良好接觸，已知兩棒質(zhì)量均為m0.02 kg，電阻均為R0.1，整個裝置處在垂直于導軌平面向上的勻強磁場中，磁感應強度 B0.2 T，棒 ab在平行于導軌向上的力 F 作用下，沿導軌向上勻速運動，而棒 cd 恰好能夠保持靜止取 g10 m/s2，問：圖 223(1)通過棒 cd 的電流 I 是多少，方向如何？(2)棒 ab 受到的力 F 多大？(3)棒 cd 每產(chǎn)生 Q0.1 J 的熱量，力 F 做的功 W 是多少？棒 cd 在共點力作用下平衡，則Fcdmgsin 30代入數(shù)據(jù)得 I1 A根據(jù)楞次定律可知，棒 cd 中的電流方向由 d 至c(2)棒ab 與棒 cd 受到的安培力大小相等FabFca對棒 ab，由共點力平衡知Fmgsin 30IlB代入數(shù)據(jù)解得 F0.2 N解：(1)棒cd 受到的安培力FcdIlB4(2009 年廣東卷)如圖 224 所示，在一個粗糙水平面上，彼此靠近地放置兩個帶同種電荷的小物塊，由靜止釋放后，兩個物塊向相反方向運動，并最終停止，在物塊的運動過程中，下列表述正確的是()A兩個物塊的電勢能逐漸減少B物塊受到的庫侖力不做功C兩個物塊的機械能守恒D物塊受到的摩擦力始終小于其受到的庫侖力圖 224解析：在遠離過程中，電場力做正功，則電勢能逐漸減少，A 正確，B 錯誤；由于運動過程中，有重力以外的電場力和摩擦力做功，故機械能不守恒，C 錯誤；在遠離過程中開始電場力大于摩擦力，物塊才能加速離開，后來電場力小于摩擦力，才能減速到停止，故 D 錯誤答案：A5(2009 年廣東卷)如圖 225 所示，絕緣長方體 B 置于水平面上，兩端固定一對平行帶電極板，極板間形成勻強電場E，長方體 B 的上表面光滑，下表面與水平面的動摩擦因數(shù)0.05(設(shè)最大靜摩擦力與滑動摩擦力相同)，B 與極板的總質(zhì)量mB1.0 kg.帶正電的小滑塊 A 質(zhì)量 mA0.6 kg，其受到的電場力大小 F1.2 N假設(shè) A 所帶的電量不影響極板間的電場分布t0 時刻，小滑塊 A 從 B 表面上的 a 點以相對地面的速度 vA 1.6 m/s 向左運動，同時，B(連同極板)以相對地面的速度 vB0.40 m/s 向右運動問(g 取10 m/s2)：圖 225(1)A 和 B 剛開始運動時的加速度大小分別為多少？(2)若 A 最遠能到達 b 點，a、b 的距離 L 應為多少？從t0 時刻到 A 運動到 b 點時，摩擦力對 B 做的功為多少？解：(1)長方體 B 所受的摩擦力為f(mAmB)g0.8 N設(shè)A 和B 剛開始運動時的加速度大小分別為aA 和aB，則FmAaA，得到 aA2 m/s2FfmBaB，得到 aB2 m/s2能量在電磁學中的應用在近幾年的高考中都有，考題形式上選擇題和計算題都有計算題，往往要結(jié)合運動分析、受力分析等列方程綜合求解，難度比較大從內(nèi)容上一般考向為：(1)帶電體在電場中運動，電場力做功，電勢能變化(2)電磁感應中的能量問題，電磁感應中其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能表現(xiàn)為安培力做負功，而電動機原理中安培力做正功電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能(3)復合場中，重力勢能、動能、電勢能之間的相互轉(zhuǎn)化磁場 B.現(xiàn)有一質(zhì)量 m0.01 kg，帶電荷量 q10-5帶電體在電場力作用下的能量轉(zhuǎn)化【例 1】(2011 年廣東實驗中學模擬)如圖 226 所示，高h0.8 m 的絕緣水平桌面上方的區(qū)域中存在勻強電場，場強 E的方向與區(qū)域的某一邊界平行，區(qū)域中存在垂直于紙面的勻強C 的小球從 A點以 v04 m/s 的初速度水平向右運動，勻速通過區(qū)域后落在水平地面上的 B點，已知：小球與水平桌面間的動摩擦因數(shù)0.1，L1 m，h0.8 m，x0.8 m，取 g10 m/s2.試求：圖 226(1)小球在區(qū)域中的速度；(2)區(qū)域中磁感應強度 B 的大小及方向；(3)區(qū)域中電場強度 E 的大小及方向(2)由于小球在磁場中做勻速運動，所以小球不可能受摩擦力作用，也就不受桌面的彈力(支持力)作用，只能受重力和洛倫茲力作用，且fmg又 fqvB聯(lián)立解得：B5.0103 T由左手定則可判斷磁感應強度 B 的方向垂直紙面向里(3)由于 vv0，所以小球在電場中做減速運動電場方向有兩種可能：對帶電體在電場力作用下的能量轉(zhuǎn)化問題，第一、要分析清電場力對帶電體做功的情況，如果做正功則電勢能轉(zhuǎn)化為其他形式的能，做負功則其他形式的能轉(zhuǎn)化為電勢能；第二、計算電場力做功時有兩種方法，其一是：W電F電scos qEscos (適應勻強電場中)；其二是：W電qU(勻強、非勻強電場都可用)1(2011 年潮陽一中模擬)如圖 227 所示，一帶電粒子從 P 點以初速度 v 射入勻強電場，僅受電場力的作用，則)可能的運動軌跡及電勢能的變化情況是(圖 227A軌跡 a 且電勢能一直變大B軌跡 b 且電勢能變小C軌跡 c 且電勢能變小D軌跡 d 且電勢能變大解析：軌跡如果為 a 則電場力方向向左，電場力先做負功再做正功，電勢能先增大后減小，A 項錯；軌跡如果為 b則不受電場力，B 項錯；如果粒子帶正電，則電場力方向向右，軌跡為 c，但 d 不可能，若軌跡為 d 電場力方向向下，所以 D 項錯，軌跡為 c 電場力做正功，電勢能減小，C 項正確答案：C復合場中的能量問題【例 2】(2011 年從化中學三模)如圖 228 所示，豎直平面 xOy 內(nèi)存在水平向右的勻強電場，場強大小 E10 N/C，在 y0 的區(qū)域內(nèi)還存在垂直于坐標平面向里的勻強磁場，磁感應強度大小 B0.5 T一帶電量 q0.2 C、質(zhì)量 m0.4 kg的小球由長 L0.4 m 的細線懸掛于 P 點，小球可視為質(zhì)點現(xiàn)將小球拉至水平位置 A 無初速釋放，小球運動到懸點 P 正下方的坐標原點 O 時，懸線突然斷裂，此后小球又恰好能通過 O 點正下方的 N 點(g10 m/s2)求： 圖 228(1)小球運動到 O 點的速度大小；(2)懸線斷裂前瞬間拉力的大??；(3)ON 間的距離所謂復合場就是電場、磁場、重力場幾個場同時存在于某一區(qū)域?qū)@類問題：(1)要分析帶電體的受力情況，因為有幾個場的受力情況會比較復雜，要做到不添力，不漏力，并且分析在運動過程中，力是否會發(fā)生變化，尤其是洛倫茲力會隨速度的變化而變化(2)要抓住各力做功的分析和能量轉(zhuǎn)化的分析，再結(jié)合動能定理、能量守恒定律列方程求解2(珠海 2012 屆高三摸底)如圖 229 所示，有位于豎直平面上的半徑為 R 的圓形光滑絕緣軌道，其上半部分處于豎直向下、場強為 E 的勻強電場中，下半部分處于垂直水平面向里的勻強磁場中；質(zhì)量為 m、帶正電且電荷量為 q 的小球，從軌道的水平直徑的 M 端由靜止釋放，若小球在某一次通過最低點時對軌道的壓力為零，求：(1)磁感應強度 B 的大??；(2)小球?qū)壍雷畹忘c的最大壓力；圖 229(3)若要小球在圓形軌道內(nèi)做完整的圓周運動，求小球從軌道的水平直徑的 M 端下滑的最小速度電磁感應中的能量問題【例 3】(2011 年佛山一模)如圖 2210 甲所示，傾斜放置的光滑平行導軌，長度足夠長，寬度 L0.4 m，自身電阻不計，上端接有 R0.3 的定值電阻在導軌間 MN 虛線以下的區(qū)域存在方向垂直導軌平面向上、磁感應強度 B0.5 T 的勻強磁場在MN 虛線上方垂直導軌放有一根電阻 r0.1 的金屬棒現(xiàn)將金屬棒無初速釋放，其運動時的 vt 圖象如圖 2210 乙所示，重力加速度取 g10 m/s2.試求：圖 2210(1)斜面的傾角和金屬棒的質(zhì)量 m；(2)在 2 s5 s 時間內(nèi)金屬棒動能減少了多少？此過程中整個回路產(chǎn)生的熱量 Q 是多少(結(jié)果保留一位小數(shù))?力 F合mgsin 圖 12解：(1)在 02 s 時間內(nèi)，金屬棒受力如圖 12 所示，合電磁感應產(chǎn)生感應電流則產(chǎn)生了電能，從能的角度分析肯定有其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，從力的角度，產(chǎn)生的感應電流在磁場中有安培力，安培力做負功這類題往往還綜合產(chǎn)生的感應電流通過某導體棒，產(chǎn)生安培力，此時安培力做正功，又把電能轉(zhuǎn)化為機械能，如果有電流通過電阻還有內(nèi)能產(chǎn)生我們抓住能量的轉(zhuǎn)化，分析是什么能轉(zhuǎn)化為什么能，就可從守恒角度列方程如例題中，棒的重力勢能轉(zhuǎn)化為棒的動能和電路中的內(nèi)能3(2011 年揭陽二模)如圖 2211 所示，MN、PQ 兩平行光滑水平導軌分別與半徑 r0.5 m 的相同豎直半圓導軌在 N、Q端平滑連接，M、P 端連接定值電阻 R，質(zhì)量 M2 kg 的 cd 絕緣桿垂直靜止在水平導軌上，在其右側(cè)至 N、Q 端的區(qū)域內(nèi)充滿豎直向上的勻強磁場現(xiàn)有質(zhì)量 m1 kg 的 ab 金屬桿以初速度 v012 m/s水平向右與 cd 絕緣桿發(fā)生正碰后，進入磁場并最終未滑出，cd 絕緣桿則恰好能通過半圓導軌最高點，不計其他電阻和摩擦, ab金屬桿始終與導軌垂直且接觸良好，取g10 m/s2，求：圖 2211(1)cd 絕緣桿通過半圓導軌最高點時的速度大小 v；(2)電阻 R 產(chǎn)生的焦耳熱 Q.功和能在電磁學中的應用，在思路方法上與功和能在力學中的應用一樣，都是要分析力，分析物體的運動過程，看過程中有哪些力做功，有哪些能量形式的轉(zhuǎn)化，搞清楚能量的來源與去向，再根據(jù)動能定理、功能關(guān)系、能的轉(zhuǎn)化與守恒定律列方程求解在知識上，電場方面主要是電場的基本性質(zhì)、電場強度、電勢、電勢能以及電場力做功等；磁場方面，主要是安培力、洛倫茲力、安培力做功與能的轉(zhuǎn)化關(guān)系、洛倫茲力不做功以及電磁感應中的能量轉(zhuǎn)化等