2019年高考物理备考中等生百日捷进提升系列专题11电磁感应含解析20190524171.docx
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1、专题11 电磁感应第一部分名师综述本专题中的基础知识、运动规律较多,是学好后面知识的重要依据;从考纲要求中可以看出需要我们理解质点、时间间隔、时刻、参考系、速度、加速度等基本概念,理解相关知识间的联系和区别,这些知识点一般不会单独出题,但这是解决运动学问题的基础。要掌握几种常见的运动规律和规律的一些推论,并能应用它们解决实际问题,同时要掌握追及、相遇问题的处理方法。这些知识可以单独命题,但更多是与牛顿运动定律或带电粒子的运动相结合命制综合的题目。图象问题一直是高考的热点,本章中位移图象和速度图象一定要认真掌握,并能用来分析物体的运动。自由落体运动和竖直上抛运动在考纲中虽没有单独列出但仍有可能作
2、为匀变速直线运动的特例进行考查。第一部分特点描述历年高考对本考点知识的考查覆盖面大,几乎每个知识点都考查到。特别是左、右手定则的运用和导体棒切割磁感线的运动更是两个命题频率最高的知识点考题一般运动情景复杂、综合性强,多以把场的性质、运动学规律、牛顿运动定律、功能关系及交变电流等有机结合的计算题出现,难度中等偏上,对考生的空间想象能力、物理过程和运动规律的综合分析能力及用数学方法解决物理问题的能力要求较高。从近两年高考看,涉及本考点的命题常以构思新颖、高难度的压轴题形式出现,在复习中要高度重视。特别是通电导体棒在复合场中的运动问题在历年高考中出现频率高,难度大,经常通过变换过程情景、翻新陈题面貌
3、、突出动态变化的手法,结合社会、生产、科技实际来着重考查综合分析能力、知识迁移和创新应用能力。情景新颖、数理结合、联系实际将是本考点今年高考命题的特点。第二部分知识背一背一、法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律的内容是感应电动势的大小与穿过回路的磁通量的变化率成正比在具体问题的分析中,针对不同形式的电磁感应过程,法拉第电磁感应定律也相应有不同的表达式或计算式磁通量变化的形式表达式备注通过n匝线圈内的磁通量发生变化(1)当S不变时,(2)当B不变时,导体垂直切割磁感线运动当vB时,E0导体绕过一端且垂直于磁场方向的转轴匀速转动线圈绕垂直于磁场方向的转轴匀速转动EnBSsint当线圈平行于磁感线时
4、,E最大为EnBS,当线圈平行于中性面时,E0二、楞次定律与左手定则、右手定则1左手定则与右手定则的区别:判断感应电流用右手定则,判断受力用左手定则2应用楞次定律的关键是区分两个磁场:引起感应电流的磁场和感应电流产生的磁场感应电流产生的磁场总是阻碍引起感应电流的磁场的磁通量的变化,“阻碍”的结果是延缓了磁通量的变化,同时伴随着能量的转化3楞次定律中“阻碍”的表现形式:阻碍磁通量的变化(增反减同),阻碍相对运动(来拒去留),阻碍线圈面积变化(增缩减扩),阻碍本身电流的变化(自感现象)三、电磁感应与电路的综合电磁感应与电路的综合是高考的一个热点内容,两者的核心内容与联系主线如图所示:1产生电磁感应
5、现象的电路通常是一个闭合电路,产生电动势的那一部分电路相当于电源,产生的感应电动势就是电源的电动势,在“电源”内部电流的流向是从“电源”的负极流向正极,该部分电路两端的电压即路端电压,.2在电磁感应现象中,电路产生的电功率等于内外电路消耗的功率之和若为纯电阻电路,则产生的电能将全部转化为内能;若为非纯电阻电路,则产生的电能除了一部分转化为内能,还有一部分能量转化为其他能,但整个过程能量守恒能量转化与守恒往往是电磁感应与电路问题的命题主线,抓住这条主线也就是抓住了解题的关键在闭合电路的部分导体切割磁感线产生感应电流的问题中,机械能转化为电能,导体棒克服安培力做的功等于电路中产生的电能说明:求解部
6、分导体切割磁感线产生的感应电动势时,要区别平均电动势和瞬时电动势,切割磁感线的等效长度等于导线两端点的连线在运动方向上的投影第三部分技能+方法一、电磁感应中的图象问题电磁感应中常涉及磁感应强度B、磁通量、感应电动势E、感应电流I、安培力F安或外力F外随时间t变化的图象,即Bt图、t图、Et图、It图、Ft图.对于切割磁感线产生感应电动势和感应电流的情况,还常涉及感应电动势E和感应电流I随位移s变化的图象,即Es图、Is图等.图象问题大体上可分为两类:1.由给定的电磁感应过程选出或画出正确图象,此类问题要注意以下几点:(1)定性或定量地表示出所研究问题的函数关系;(2)在图象中E、I、B等物理量
7、的方向通过正负值来反映;(3)画图象时要注意横、纵坐标的单位长度定义或表达.2.由给定的有关图象分析电磁感应过程,求解相应的物理量不管是何种类型,电磁感应中的图象问题常需利用右手定则、左手定则、楞次定律和法拉第电磁感应定律等规律进行分析解决.二、电磁感应中的动力学问题解决电磁感应中动力学问题的具体思路:电源电路受力情况功、能问题具体步骤为:(1)明确哪一部分电路产生感应电动势,则这部分电路就是等效电源;(2)正确分析电路的结构,画出等效电路图;(3)分析所研究的导体受力情况;(4)列出动力学方程或平衡方程并求解三、电磁感应中的电路、能量转化问题1电路问题(1)将切割磁感线导体或磁通量发生变化的
8、回路作为电源,确定感应电动势和内阻(2)画出等效电路(3)运用闭合电路欧姆定律,串、并联电路特点,电功率公式,焦耳定律公式等求解2能量转化问题(1)安培力的功是电能和其他形式的能之间相互转化的“桥梁”。(2)明确功能关系,确定有哪些形式的能量发生了转化.如有摩擦力做功,必有内能产生;有重力做功,重力势能必然发生变化;安培力做负功,必然有其他形式的能转化为电能。(3)根据不同物理情景选择动能定理,能量守恒定律,功能关系,列方程求解问题.四、电磁感应与电路的综合问题1解答电磁感应与电路的综合问题时,关键在于准确分析电路的结构,能正确画出等效电路图,并综合运用电学知识进行分析、求解2求解过程中首先要
9、注意电源的确定,通常将切割磁感线的导体或磁通量发生变化的回路作为等效电源;其次是要能正确区分内、外电路,应把产生感应电动势的那部分电路视为内电路,感应电动势为电源电动势,其余部分相当于外电路;最后应用闭合电路欧姆定律及串并联电路的基本规律求解,处理问题的方法与闭合电路问题的求解基本一致五、涉及电磁感应的力电综合题以电磁感应现象为核心,综合应用牛顿运动定律、动能定理、能量守恒定律及电路等知识形成的力电综合问题,经常以导体棒切割磁感线运动或穿过线圈的磁通量发生变化等物理情景为载体命题(1)受力与运动分析导体棒运动切割磁感线产生感应电动势,而感应电流在磁场中受安培力的作用,安培力将阻碍导体棒的运动导
10、体棒运动过程受到的安培力一般是变力,引起导体棒切割磁感线运动的加速度发生变化当加速度变为零时,运动达到稳定状态,最终导体棒做匀速直线运动,利用平衡条件可求导体棒稳定状态的速度(2)解题思路利用法拉第电磁感应定律和楞次定律或右手定则确定感应电动势的大小和方向;应用闭合电路欧姆定律求电路中的感应电流的大小;分析所研究的导体的受力情况,关注安培力的方向;应用运动学规律、牛顿第二定律、动能定理、平衡条件等列方程求解第四部分基础练+测一、单选题1如图所示,在倾角为30的斜面上固定一电阻不计的光滑平行金属导轨,间距为L,下端接有阻值为R的电阻,导轨处于匀强磁场中,磁感应强度大小为B,方向与斜面垂直(图中未
11、面出),质量为m、电阻不计的金属棒ab与固定在斜面上方的绝缘弹簧相连,弹簧处于原长并被锁定。现解除锁定金属棒由静止开始向下运动距离x到达最低位置,此过程中金属棒始终与导轨垂直并保持良好接触,弹簧始终在弹性限度内,重力加速度为g,则()A开始运动时金属棒的加速度小于g/2B金属棒的速度为v时,所受的安培力F=B2L2v2RC此过程中,通过电阻R的总电荷量为BLx2RD此过程的减速阶段,回路中的焦耳热小于金属棒重力势能的减少【答案】 D【解析】【详解】A、开始运动时,金属棒只受到重力和金属导轨对金属棒ab的支持力,根据牛顿第二定律可得金属棒的加速度为a=mgsin30m=12g,故选项A错误;B、
12、金属棒的速度为v时,金属棒切割磁感线产生的感应电动势E=BLv,所受的安培力F安=BIL=BERL=B2L2vR,故选项B错误;C、此过程中,通过电阻R的总电荷量为q=It=ERt=R=BLxR,故选项C错误;D、最大速度时,重力沿斜面的分力等于弹簧的弹力和安培力之和,之后减速阶段中安培力变小,而重力沿斜面的分力不变,所以重力做功大于克服安培力做功,则有回路中的焦耳热小于金属棒重力势能的减少,故选项D正确;2半径为L的圆形边界内分布有垂直圆所在平面的磁场,垂直纸而向里的磁感应强度大小为2B,垂直纸面向外的磁感应强度大小为B,如图所示。AEO为八分之一圆导线框,其总电阻为R,以角速度绕O轴逆时针
13、匀速转动,从图中所示位置开始计时,用i表示导线框中的感应电流(顺时针方向为正),线框中感应电流i随时间t变化图像可能是ABCD【答案】 B【解析】【详解】当线圈转过0-45时,产生的感应电流为顺时针方向,电动势E=12BL2+122BL2=32BL2,感应电流I=3BL22R;当线圈转过45-90时,产生的感应电动势为零,感应电流为零;当线圈转过90-135时,产生的感应电流为逆时针方向,电动势E=12BL2+122BL2=32BL2,感应电流I=3BL22R;当线圈转过135-180时,产生的感应电动势为零,感应电流为零;当线圈转过180-225时,产生的感应电流为顺时针方向,电动势E=12
14、2BL2=BL2,感应电流I=BL2R;当线圈转过225-270时,产生的感应电动势为零,感应电流为零;当线圈转过270-315时,产生的感应电流为逆时针方向,电动势E=122BL2=BL2,感应电流I=BL2R;当线圈转过315-360时,产生的感应电动势为零,感应电流为零;故选B.3如图所示,在等腰直角三角形abc内存在垂直纸面向外的匀强磁场,三角形efg是与三角形abc形状相同的导线框,x轴是两个三角形的对称轴。现让导线框efg在纸面内沿x轴向右匀速穿过磁扬,规定逆时针方向为电流的正方向,在导线框通过磁场的过程中,感应电流i随时间t的变化图像是ABCD【答案】 A【解析】【详解】三角形e
15、gf向右运动,根据楞次定律和右手安培定则,先产生顺时针方向的感应电流,后产生逆时针方向的感应电流,所以感应电流先为负值后为正值;随着三角形egf的运动,有效长度L有先增大,当a点与fg边的中点重合时,切割磁感线的有效长度为L有=12Lfg,再继续向右移动,有效长度L有减小,当fg边与三角形abc的中位线重合时,切割磁感线的有效长度为L有=0,再继续向右移动,有效长度L有增大,当fg边与b c边重合时,切割磁感线的有效长度为L有=Lfg,根据感应电动势E=BL有v,电流I=ER=BL有vR可知A正确,B、C、D错误;故选A。4如图甲所示,水平放置的平行金属导轨左端通过一单刀双开关S与定值电阻R和
16、平行板电容器C连接,导体棒MN垂直置于导轨上且与导轨接触良好。规定向右为正方向,导体棒MN沿导轨运动的x-t图象如图乙所示,金属棒始终处于方向竖直向上的匀强磁场中,不计导轨和导体棒MN的电阻,则在0t2时间内()A若开关S接1,则电容器C始终处于充电状态B若开关S接1,则t1时刻电容器C两端的电压最大C若开关S接2,则导体棒MN所受安培力的方向先向左后向右D若开关S接2,则t1时刻导体棒MN所受的安培力最大【答案】 C【解析】【详解】在x-t图象中,图象的斜率表示导体棒运动的速度,由图乙可知,0-t1时间内斜率是正、t1-t2时间内斜率为负值,则说明0-t2时间内导体棒先向右移动后向左移动。若
17、S接A,导体棒通过金属导轨与平行板电容器C连接,0-t2时间内导体棒向右先加速后减速,然后向左先加速后减速运动,根据E=BLv可知,电容器两端电压先增大后减小,再反向增大减小,可知电容器先充电再放电,再充电再放电,故A错误;若S接A,t1时刻导体瞬间静止,即导体不切割磁感线,故MN中无感应电动势产生,电容器两极板电压为零,即最小,故B错误;若S接B,导体棒通过金属导轨与定值电阻R连,0-t2时间内,导体棒先向右运动后向左运动,根据右手定则可知,电流的方向先顺时针后逆时针,由左手定则可知,MN所受安培力方向先向左后向右,故C正确;若S接B,t1时刻MN瞬间静止,导体不切割磁感线,电路中无电流,M
18、N受安培力为零(即最小),故D错误。故选C。5已知地磁场类似于条形磁铁产生的磁场,地磁N极位于地理南极。如图所示,在河北某中学实验室的水平桌面上,放置边长为L的正方形闭合导体线框abcd,线框的ad边沿南北方向,ab边沿东西方向,下列说法正确的是()A若使线框向东平移,则a点电势比d点电势低B若使线框向北平移,则a点电势等于b点电势C若使线框向上平移,则a点电势比d点电势低D若使线框向上平移,则a点电势等于b点电势【答案】 A【解析】【详解】河北位于北半球,地磁场的竖直分量向下,水平分量水平向北。若使线圈向东平移,ad边切割磁感线产生感应电动势,地磁场的竖直分量向下,由右手定则判断可知,a点的
19、电势比d点的电势低,故A正确。若使线圈向北平移,ab边切割磁感线产生感应电动势,地磁场的竖直分量向下,由右手定则可知,a点电势高于b点电势,故B错误;若使线框向上平移,ad、bc不切割磁感线,不产生感应电动势;dc和ab两边切割磁感线,由右手定则可知,a点电势比b点电势高,a点电势等于d点电势,故CD错误;故选A。6如图所示,固定平行导轨间有磁感应强度大小为B、方向垂直导轨平面向里的匀强磁场,导轨间距为l且足够长,左端接阻值为R的定值电阻,导轨电阻不计。现有一长为2l的金属棒垂直放在导轨上,在金属棒以O点为轴沿顺时针方向以角速度转过60的过程中(金属棒始终与导轨接触良好,电阻不计)A通过定值电
20、阻的最大电流为Bl2RB通过定值电阻的最大电流为Bl22RC通过定值电阻的电荷量为Bl22RD通过定值电阻的电荷量为3Bl22R【答案】 D【解析】【详解】AB棒绕端点转动切割磁感线而产生动生电动势,棒在60位置时有效长度最大为l效=2l,线速度关于半径均匀增大,则E=Bl效0+l效2=2Bl2,由欧姆定律可得I=ER=2Bl2R;故A,B错误.CD由电量的定义式q=It,而I=ER=Rt,可得q=R=BSR,棒转过60扫过的有效面积为S=l3l2,联立可得q=3Bl22R;故C错误,D正确.7如图所示,空间有两个宽度分别为L和2L的有界匀强磁场区域,磁感应强度大小都为B,左侧磁场方向垂直于纸
21、面向里,右侧磁场方向垂直于纸面向外,abcd是一个均匀电阻丝做成的边长为L的正方形线框,线框以垂直于磁场边界的速度v匀速通过两个磁场区域,在运动过程中,线框ab、cd两边始终与磁场的边界平行。设线框cd边刚进入磁场的位置为x=0,x轴正方向水平向右,从线框ad边刚进入磁场开始到整个线框离开磁场区域的过程中,线框受到的安培力F(规定水平向右为正方向)随着位置x变化的图像正确的是ABCD【答案】 C【解析】【详解】第一个过程:cd边刚进入左侧磁场到ab刚要进入右侧磁场的过程,cd边受安培力,大小为F0=BIL=BBLvRL=B2L2vR,方向向左。第二个过程:cd刚进入右侧磁场到ab刚进入右侧磁场
22、的过程中,线框受到的安培力为:F=2BIL=2B2BLvRL=4B2L2vR=4F0,方向向左第三个过程:ab边离开左侧磁场到cd边到有侧磁场的有边界,在这个过程,线框中没有感应电流,所以线框不受安培力的作用。第四个过程:cd边刚离开右侧磁场到ab边刚离开右侧磁场的过程,ab边受安培力,大小为F=BIL=BBLvRL=B2L2vR=F0,方向向左。综合以上分析,C正确。8如图所示,半径为2L的小圆与半径为3L的圆形金属导轨拥有共同的圆心,在小圆区城内存在垂直于纸面向里的磁感应强度大小为B的匀强磁场,在小圆与导轨之间的环形区域内存在垂直于纸面向外的磁感应强度大小为2B的匀强磁场。现将一长度为3L
23、的导体棒置于磁场中,让其一端O点与圆心重合,另一端与圆形导轨良好接触。在O点与导轨间接入一阻值为r的电阻,导体棒以角速度沿导轨逆时针做匀速圆周运动,其他电阻不计。下列说法正确的是()A导体棒O点的电势比A点的电势低B在导体棒的内部电流由A点至O点C在导体棒旋转一周的时间内,通过电阻r的电荷量为2BL2rD在导体棒旋转一周的时间内,电阻r产生的焦耳热为18B2L2r【答案】 A【解析】【详解】AB半径为2L的小圆切割磁感线产生的感应电动势E1=B(2L)2L2 =2BL2,根据右手定则,内部电势更高;导体棒在在小圆与导轨之间的环形区域切割磁感线产生的感应电动势E2=2BL2L+3L2=5BL2,
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