高考物理一輪復習 第九章 第4單元 電磁感應中的動力學和能量問題課件 (2).ppt

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必考部分 第九章電磁感應 第4單元電磁感應中的動力學和能量問題 網(wǎng)控基礎點提煉命題源 讀讀教材 3 電磁感應中的力和運動電磁感應與力學問題的綜合 涉及兩大研究對象 電學對象與力學對象 聯(lián)系兩大研究對象的橋梁是磁場對感應電流的 其大小與方向的變化 直接導致兩大研究對象的狀態(tài)改變 安培力 二 電磁感應與能量守恒1 能量轉化導體切割磁感線或磁通量發(fā)生變化 在回路中產(chǎn)生感應電流 這個過程中機械能或其他形式的能轉化為 具有感應電流的導體在磁場中受安培力作用或通過電阻發(fā)熱 又可使電能轉化為 或 因此 電磁感應過程中總是伴隨著能量的轉化 2 電磁感應過程的實質(zhì)是不同形式的能量轉化的過程 而能量的轉化是通過安培力做功的形式實現(xiàn)的 安培力做功的過程 是電能轉化為其他形式能的過程 外力克服安培力做功 則是其他形式的能轉化為電能的過程 1 電能機械能內(nèi)能 練練基礎 題組一 電磁感應與力和運動 解析 S閉合后 光滑導軌與金屬桿組成閉合回路 ab桿切割磁感線 產(chǎn)生感應電動勢 形成感應電流 ab桿受向上的安培力 根據(jù)安培力與重力的大小關系可判斷A C D正確 3 多選 如圖所示 固定在水平絕緣平面上足夠長的金屬導軌不計電阻 但表面粗糙 導軌左端連接一個電阻R 質(zhì)量為m的金屬棒 電阻不計 放在導軌上 并與導軌垂直 整個裝置放在勻強磁場中 磁場方向與導軌平面垂直 用水平恒力F把ab棒從靜止向右拉動的過程中 下列說法正確的是 題組二 電磁感應與能量守恒 A 恒力F做的功等于電路產(chǎn)生的電能B 恒力F和摩擦力的合力做的功等于電路中產(chǎn)生的電能C 克服安培力做的功等于電路中產(chǎn)生的電能D 恒力F和摩擦力的合力做的功等于電路中產(chǎn)生的電能和棒獲得的動能之和 解析 ab棒在恒力作用下先加速后勻速 由功能關系知C正確 根據(jù)動能定理WF Wf W安 Ek 可判斷D正確 4 如圖所示 足夠長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垂直于導軌放置 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 重力加速度取g 10m s2 sin37 0 6 A 2 5m s1WB 5m s1WC 7 5m s9WD 15m s9W 1 導體棒在磁場中切割磁感線時 若速度發(fā)生變化 會影響電動勢 電流發(fā)生變化 進而影響導體棒的受力發(fā)生變化 從而引起加速度變化 2 在電磁感應現(xiàn)象中 通過安培力做功實現(xiàn)其他形式能量向電能的轉化 電路再通過用電器轉化為其他形式能量 3 對變化的電流 在計算電量時 用電流的平均值 在計算焦耳熱時 一般根據(jù)能量守恒定律間接計算 小思考微總結 研細核心點練透經(jīng)典題 1 受力分析與運動分析對電磁感應現(xiàn)象中的力學問題 除了要作好受力情況和運動情況的動態(tài)分析外 還需要注意導體受到的安培力隨運動速度變化的特點 速度變化 彈力及相應的摩擦力也隨之而變 導致物體的運動狀態(tài)發(fā)生變化 考點一電磁感應與力和運動 2 應用牛頓運動定律和運動學規(guī)律解答電磁感應問題的基本思路 1 用法拉第電磁感應定律和楞次定律求感應電動勢的大小和方向 2 求回路中的電流 3 分析研究導體的受力情況 包含安培力 用左手定則確定其方向 4 根據(jù)牛頓第二定律和運動學規(guī)律或平衡條件列方程求解 調(diào)研1 2014 江蘇單科 如圖所示 在勻強磁場中有一傾斜的平行金屬導軌 導軌間距為L 長為3d 導軌平面與水平面的夾角為 在導軌的中部刷有一段長為d的薄絕緣涂層 勻強磁場的磁感應強度大小為B 方向與導軌平面垂直 質(zhì)量為m的導體棒從導軌的頂端由靜止釋放 在滑上涂層之前已經(jīng)做勻速運動 并一直勻速滑到導軌底端 導體棒始終與導軌垂直 且僅與涂層間有摩擦 接在兩導軌間的電阻為R 其他部分的電阻均不計 重力加速度為g 求 試題調(diào)研 1 導體棒與涂層間的動摩擦因數(shù) 2 導體棒勻速運動的速度大小v 3 整個運動過程中 電阻產(chǎn)生的焦耳熱Q 解題指導 1 導體棒在絕緣涂層運動時沒有感應電流 不受安培力 根據(jù)勻速運動可求動摩擦因數(shù) 2 在光滑導軌上勻速運動 根據(jù)平衡條件求速度 3 根據(jù)能量守恒求焦耳熱 答案 見解析 解決電磁感應中的動力學問題的一般思路是 先電后力 具體思路如下 1 先作 源 的分析 分離出電路中由電磁感應所產(chǎn)生的電源 求出電源參數(shù)E和r 2 再進行 路 的分析 分析電路結構 弄清串 并聯(lián)關系 求出相應部分的電流大小 以便求解安培力 3 然后是 力 的分析 分析研究對象 常是金屬桿 導體線圈等 的受力情況 尤其注意其所受的安培力 4 最后進行 運動 狀態(tài)的分析 根據(jù)力和運動的關系 判斷正確的運動模型 名師歸納點題破疑 類題練熟 1 2 多選 如圖甲所示 MN左側有一垂直紙面向里的勻強磁場 現(xiàn)將一邊長為L 質(zhì)量為m 電阻為R的正方形金屬線框置于該磁場中 使線框平面與磁場方向垂直 且bc邊與磁場邊界MN重合 當t 0時 對線框施加一水平拉力F 使線框由靜止開始向右做勻加速直線運動 當t t0時 線框的ad邊與磁場邊界MN重合 圖乙為拉力F隨時間t變化的圖線 由以上條件可知 磁場的磁感應強度B的大小及t0時刻線框的速率v為 1 電磁感應中的幾個功能關系 1 導體克服安培力做的功等于產(chǎn)生的電能W安 E電 2 若電路為純電阻電路 則電磁感應中產(chǎn)生的電能又完全轉化為電路的焦耳熱Q E電 3 導體克服安培力做的功等于消耗的機械能W安 E機械能 4 綜合起來可以看出 電路的焦耳熱 等于 電磁感應中產(chǎn)生的電能 等于 機械能的減小 即Q E電 E機械能 這里還要特別明確 能量轉化的層次性 即E機械能 E電 Q 其中第一次轉化是通過克服安培力做功W安來實現(xiàn) 第二次轉化是通過感應電流流經(jīng)電阻轉化為焦耳熱來實現(xiàn) 考點二電磁感應與能量守恒 2 用能量方法解決電磁感應問題的一般步驟 1 用法拉第電磁感應定律和楞次定律確定電動勢的大小和方向 2 畫出等效電路 求出回路中電阻消耗電功率的表達式 3 分析導體機械能的變化 用能量守恒關系得到機械功率的改變與回路中電功率的改變所滿足的關系式 試題調(diào)研 名師歸納點題破疑 2 1 2015 山東濟南一模 多選 如圖所示 固定在同一水平面上的兩平行金屬導軌AB CD 兩端接有阻值相同的兩個定值電阻 質(zhì)量為m的導體棒垂直放在導軌上 輕彈簧左端固定 右端連接導體棒 整個裝置處于豎直向下的勻強磁場中 當導體棒靜止在OO 位置時 彈簧處于原長狀態(tài) 此時給導體棒一個水平向右的初速度v0 它能向右運動的最遠距離為d 且能再次經(jīng)過OO 位置 已知導體棒所受的摩擦力大小恒為f 導體棒向右運動過程中左側電阻產(chǎn)生的熱量為Q 不計導軌和導體棒的電阻 則 類題練熟 2 2 如圖甲所示 在虛線mn的上方存在垂直紙面向里的勻強磁場 mn的下方存在豎直向下的勻強磁場 mn上下兩側磁場的磁感應強度大小相等 將兩根足夠長的直導軌平行放置在磁場中 且貫穿虛線的上下兩側 取兩根等長的金屬棒a b 兩端分別套上金屬環(huán) 然后將兩金屬棒套在長直導軌上 其中a棒置于虛線上側 b棒置于虛線下側 從t 0時刻開始在a棒上加一豎直向上的外力F 使a棒由靜止開始向上做勻加速直線運動 外力隨時間的變化規(guī)律如圖乙所示 同時b棒在t 0時刻由靜止釋放 已知兩導軌的間距為L 1 5m a b棒的質(zhì)量分別為m1 1kg m2 0 27kg 兩金屬棒的總電阻為R 1 8 忽略導軌的電阻 b棒與導軌的動摩擦因數(shù)為 0 75 不計a棒與導軌之間的摩擦 取g 10m s2 甲乙 1 求虛線上下兩側的磁感應強度大小以及a棒勻加速運動的加速度大小 2 如果在0 2s的時間內(nèi)外力F對a棒做功為40J 則該過程中整個電路產(chǎn)生的焦耳熱為多少 3 經(jīng)過多長時間b棒的速度最大 答案 1 1 2T1m s2 2 18J 3 2s 微元法在電磁學中的應用 思想 方法 技巧 十六 名師點睛 微元法是將研究對象無限細分 從中抽取出微小單元進行研究 找出被研究對象變化規(guī)律 由于這些微元遵循的規(guī)律相同 再將這些微元進行必要的數(shù)學運算 累計求和 從而順利解決問題 用該方法可以將一些復雜的物理過程 用我們熟悉的規(guī)律加以解決 是物理學中常用的思想方法之一 經(jīng)典范例 2013 新課標全國卷 如圖所示 兩條平行導軌所在平面與水平地面的夾角為 間距為L 導軌上端接有一平行板電容器 電容為C 導軌處于勻強磁場中 磁感應強度大小為B 方向垂直于導軌平面向下 在導軌上放置一質(zhì)量為m的金屬棒 棒可沿導軌下滑 且在下滑過程中保持與導軌垂直并良好接觸 已知金屬棒與導軌之間的動摩擦因數(shù)為 重力加速度大小為g 忽略所有電阻 讓金屬棒從導軌上端由靜止開始下滑 求 1 電容器極板上積累的電荷量與金屬棒速度大小的關系 2 金屬棒的速度大小隨時間變化的關系 1 本題用微元法可判斷金屬桿沿導軌勻加速下滑 從而得出速度隨時間均勻變化的關系 這與常見的導體棒在恒力作用下運動是不同的 2 對于電容器的充電過程 由于金屬桿的速度均勻增加 感應電動勢也均勻變大 所以金屬棒一直給電容器充電 且充電的電流恒定 認為電容器是斷路 沒有電流是錯誤的 多維思考技法提煉 3 這類問題可定性為電磁感應現(xiàn)象中的力學綜合題 解題過程中必須要把電磁學和力學的知識與方法結合起來 最常見的解題流程如下 解析 當開關K接通時 根據(jù)安培定則知電磁鐵附近磁感線的分布如圖所示 由左手定則知通電直導線此時左端受力指向紙內(nèi) 右端受力指向紙外 故導線將轉動 轉到與磁感線接近垂直時 整個導線受到的磁場力將豎直向下 故懸線張力變大 選項D正確