高考物理 考前冲刺大题精做 专题07 电磁感应和交变电流

2013年高考物理考前冲刺大题精做专题07电磁感应和交变电流【2013高考会这样考】1.熟练应用右手定则和楞次定律判断感应电流的方向.2.掌握公式E=Blv和，会计算平动切割、转动切割、磁通量变化等各种情况的感应电动势.3.掌握电磁感应中的图象问题.4.会处理各种综合问题，如与电路、力学、功、能知识的综合.5.知道交变电流的产生及描述交变电流的物理量，会计算有效值.6.知道正弦函数交变电流的表达式，理解其图象.7.理解理想变压器原理，掌握远距离输电线路.【原味还原高考】一、电磁感应现象、楞次定律1.磁通量(1)公式：Φ＝B·Ssinα，α为线圈平面与磁场方向的夹角.(2)单位：韦伯(Wb)，1Wb＝1T·m2(3)磁通量的变化：ΔΦ=Φ2-Φ1①S、α不变，B改变，这时ΔΦ=ΔB·Ssinα常见情况②B、α不变，S改变，这时ΔΦ=ΔS·Bsinα③B、S不变，α改变，这时ΔΦ=BS(sinα2-sinα1)2.电磁感应现象(1)感应电流产生条件(2)感应电动势产生条件：穿过电路的磁通量发生变化.3.楞次定律及应用(1)楞次定律①内容：感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流磁场的磁通量的变化.②适用情况：所有电磁感应现象.(2)右手定则：①要点：掌心——磁感线垂直穿入掌心，拇指——指向导体运动的方向,四指——指向感应电流的方向.②适用情况：电路的部分导体切割磁感线产生感应电流.(3)判断感应电流方向的“三步法”4.楞次定律的推广感应电流阻碍原磁通量变化的方式有以下几种：(1)阻碍原磁通量的变化，即“增反减同”.(2)阻碍相对运动，即“来拒去留”.(3)使线圈面积有扩大或缩小的趋势，即“增缩减扩”.(4)阻碍原电流的变化(自感现象)，即“增反减同”.【名师点睛】1.楞次定律的含义(1)谁阻碍谁：感应电流的磁场阻碍引起感应电流的原磁场磁通量的变化.(2)阻碍什么：阻碍的是磁通量的变化，而不是阻碍磁通量或磁场本身.(3)怎样阻碍：阻碍不是“相反”，也不是“阻止”，当原磁通量增加时，感应电流的磁场方向与原磁场方向相反，原磁通量仍缓慢增加；当原磁通量减小时，感应电流的磁场方向与原磁场方向相同，原磁通量仍缓慢减小.2.安培定则、左手定则、右手定则和楞次定律的比较名称现象规律电流的磁效应运动电荷、电流产生磁场安培定则磁场力磁场对运动电荷、电流的作用左手定则电磁感应导体做切割磁感线运动右手定则回路的磁通量变化楞次定律二、法拉第电磁感应定律、自感、涡流1.法拉第电磁感应定律(1)内容：闭合电路中感应电动势的大小跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比.(2)表达式：式中的n为线圈的匝数，是磁通量的变化率.2.部分导体切割磁感线产生感应电动势(1)导体在匀强磁场中平动①一般情况：运动速度v和磁感线方向夹角为θ，则E=Blvsinθ.②常用情况：运动速度v和磁感线方向垂直，则E=Blv.(2)导体棒在匀强磁场中转动导体棒以端点为轴，在垂直于磁感线的平面内以角速度ω匀速转动产生感应电动势，(导体棒的长度为l，有效切割速度取中点位置线速度lω).(3)对法拉第电磁感应定律的理解①感应电动势的大小：由穿过电路的磁通量的变化率和线圈的匝数n决定，与磁通量Φ、磁通量的变化量ΔΦ无必然联系.②对公式的理解：3.自感现象(1)概念：由于导体本身的电流变化而产生的电磁感应现象称为自感，由于自感而产生的感应电动势叫做自感电动势，其大小L为自感系数.(2)自感系数：L与线圈的大小、形状、匝数以及是否有铁芯等因素有关，其单位是亨利，符号是H.4.涡流当线圈中的电流发生变化时，在它附近的任何导体中都会产生感应电流，这种电流像水中的漩涡所以叫涡流.(1)电磁阻尼：当导体在磁场中运动时，感应电流会使导体受到安培力，安培力的方向总是阻碍导体的运动.在运输电表时用导线将接线柱连接起来,防止指针损坏,就是利用了这一原理.(2)电磁驱动：如果磁场相对于导体转动，在导体中会产生感应电流，感应电流使导体受到安培力的作用，安培力使导体运动起来.交流感应电动机就是利用电磁驱动的原理工作的.(3)电磁阻尼和电磁驱动的原理体现了楞次定律的推广应用.【特别提醒】1.对公式E=Blv的理解(1)正交性：在E=Blv中，B、l、v必须两两垂直.实际问题中当它们不相互垂直时，应取垂直的分量进行计算.如E=Blvsinθ，θ为B与v的夹角.(2)有效性：导体平动切割磁感线,l为导体两端点的有效长度.(3)相对性：E=Blv中的速度v是相对于磁场B的速度.(4)瞬时性：公式中v一般为瞬时速度，则E为瞬时电动势.2.公式与公式E=Blv的比较E=Blv导体一个回路一段导体适用普遍使用导体切割磁感线意义常常用于求平均电动势既可求平均值也可求瞬时值联系本质上是统一的.后者是前者的一种特殊情况.但是，当导体做切割磁感线运动时，用E＝Blv求E比较方便；当穿过电路的磁通量发生变化时，用求E比较方便.三、电磁感应的综合问题1.电磁感应中的电路问题(1)内电路与外电路切割磁感线运动的导体或磁通量发生变化的线圈相当于电源，其电阻相当于电源内阻，其余部分是外电路.(2)电动势、路端电压与电流①根据法拉第电磁感应定律：电动势或E=Blv.②根据闭合电路欧姆定律：路端电压U=E-Ir,干路电流。2.电磁感应现象中的力学问题(1)通电导体在磁场中将受到安培力作用，电磁感应问题往往和力学问题联系在一起.(2)安培力大小：由感应电动势E→感应电流I→F安=BIL.(3)方向：由左手定则判断,或安培力的方向一定阻碍导体切割磁感线.3.电磁感应中的能量转化(1)电磁感应现象的能量转化实质：感应电流在磁场中受安培力，导体克服安培力做功，将其他形式的能量转化为电能，电流做功再将电能转化为其他形式的能量.如图【特别提醒】电磁感应与电路、力学综合问题的解题思路与步骤(1)确定电源，利用法拉第电磁感应定律求感应电动势的大小，利用右手定则或楞次定律判断电流方向.(2)确定电路结构(内、外电路及外电路的串、并联关系)，画出等效电路图.(3)利用电路规律求解电路中的量，主要应用欧姆定律及串、并联电路的基本性质等列方程求解.(4)利用动力学的规律或功能的规律求解力学量.【方法技巧】等效电路在电磁感应现象中的应用1.题型特点：闭合电路中磁通量发生变化或有部分导体在做切割磁感线运动，在回路中将产生感应电动势，回路中将有感应电流.从而涉及到电流、电压、电功等计算.2.解题基本思路(1)确定电源:明确哪一部分电路产生电磁感应，则这部分电路就是等效电源．(2)用右手定则或楞次定律确定感应电流的方向.在电源(导体)内部，电流由负极(低电势)流向电源的正极(高电势)，在外部由正极流向负极.(3)正确分析电路的结构，画出等效电路图.(4)结合运用闭合电路欧姆定律、串并联电路的性质等有关知识解决相关问题.四、导体棒模型的问题分析纵观近几年的高考试题，电磁学的导体棒问题出现频率很高，且多为分值较大的计算题，其主要原因如下：1.导体棒问题是高中物理电磁学中常用的最典型的模型，常综合多个物理高考知识点．所以这类题目是高考的热点.2.导体棒问题综合性强、类型繁多、物理过程复杂，有利于综合考查学生运用所学的知识从多层面、多角度、全方位分析问题和解决问题的能力.导体棒问题在磁场中大致可分为两类：一类是通电导体棒，使之平衡或运动；另一类是导体棒运动切割磁感线生电．1、通电导体棒模型通电导体棒模型，一般为平衡和运动两类，对于通电导体棒的平衡问题，可利用物体的平衡条件来解答，而对于通电导体棒的运动问题，则要结合牛顿运动定律、能量观点进行综合分析，从而作出准确的解答.2、棒生电模型棒生电模型是电磁感应中的最典型的一类模型，生电方式分为平动切割和转动切割．解决此类问题要从静态到动态、动态到终态加以分析讨论，其中分析动态是关键．对于动态分析，可从以下过程考虑：闭合电路中的磁通量发生变化→导体产生感应电流→导体受安培力和其他力作用→导体加速度变化→速度变化→感应电流变化→周而复始地循环最后加速度减小至零→速度达到最大→导体做匀速直线运动.电磁感应现象的实质是不同形式能量的转化过程，因此，由功能观点切入，分清楚电磁感应过程中能量转化关系，往往是解决电磁感应问题的关键，也是处理这类题型的有效途径.五、交变电流的产生及描述1.交变电流的产生和变化规律(1)交变电流：大小和方向都随时间做周期性变化的电流.(2)正弦交流电：电流或电压均按正(余)弦规律变化的交变电流.(3)中性面①定义：线圈平面在与磁场垂直的位置平面.②特点：线圈经过中性面时，穿过线圈的磁通量最大，磁通量变化率最小，感应电动势为零.(4)正弦式交变电流的产生和变化规律①产生：当闭合线圈由中性面位置(如图从O1O2位置)开始在匀强磁场中绕垂直于磁场方向的轴匀速转动时，线圈中产生的感应电动势随时间变化的函数是正弦函数，线圈中产生的感应电流即为正弦式交变电流.②瞬时值表达式:电动势：e=Emsinωt电压：u=Umsinωt电流：i=Imsinωt2.描述交变电流的物理量概念定义符号关系最大值交变电流的电流或电压所能达到的最大值Em、Um、Im瞬时值某一时刻交变电流或电压的大小e、u、i有效值与某一直流具有相同热效应的直流电压或直流电流的值E、U、I周期交变电流完成一次周期性变化的时间T频率交变电流在1s内完成周期性变化的次数f3.交流电的“四值”的应用(1)瞬时值：反映了不同时刻交变电流的大小，发光二极管在瞬时值超过其发光电压的时间内才可以发光.(2)最大值：在考虑电容器的耐压值时，则应根据交流电的最大值.(3)有效值：求电功、电功率、焦耳热以及确定保险丝的熔断电流等物理量时，要用有效值计算，正弦交流电的有效值为其他交变电流的有效值只能根据有效值的定义来计算.此外，交流电压表、交流电流表所测的数值均是指有效值，一些交流电器铭牌上所标的额定电压(电流)值也是指有效值.(4)平均值：求一段时间内通过导体横截面的电荷量时要用平均值，即平均值的计算需用计算，切记不能用平均值不等于有效值.【名师点睛】1.明确线圈的初始位置，正确书写对应函数关系式，若是正弦交流电,则:(1)表达式e=Emsinωt(从中性面计时).(2)如果线圈从垂直中性面开始转动，则表达式为e=Emcosωt.2.在交变电流的产生过程中，要特别注意两个特殊位置的不同特点(1)线圈平面与中性面重合时，S⊥B，Φ最大，ΔΦ/Δt=0，e=0，i=0，电流方向将发生改变.(2)线圈平面与中性面垂直时，S∥B，Φ=0，ΔΦ/Δt最大，e最大，i最大，电流方向不改变.3.对交变电流有效值的理解和应用(1)交变电流的有效值是根据电流的热效应进行定义的，所以进行有效值计算时，要紧扣电流通过电阻生热(或热功率)进行计算.注意“三同”：即“相同电阻”在“相同时间”内产生“相同热量”.计算时“相同时间”要取周期的整数倍，一般取一个周期.(2)若是正弦交流电，有效值和最大值的关系为。【特别提醒】由交变电流的产生可知，交流电问题实质是电磁感应现象的应用和延续，因此涉及交流电问题应以电磁感应规律为基础，结合具体问题灵活分析.六、变压器以及电能的输送1.变压器原理(1)构造和原理①构造如图所示：②工作原理：电磁感应的互感现象.(2)理想变压器的基本关系式①电压关系：②电流关系：只适用于只有一个副线圈的情况.③功率关系：P出=P入或I1U1=I2U2+I3U3+…(3)互感器①电压互感器：用来把高电压变成低电压.②电流互感器：用来把大电流变成小电流.2.电能的输送(1)根据P损＝I2R线，减少输电电能损失有两种方法①减小输电线的电阻：由可知，要减小输电线的电阻R线，在输电距离不变的情况下，可采用减小材料的电阻率，增大导线的横截面积等方法，但是不实际，不容易实现.②减小输电线中的电流：在输电功率一定的情况下，根据P＝UI，要减小电流，必须提高输电电压，即高压输电.(2)远距离输电的功率损失输送功率一定时，线路电流输电线上损失功率【特别提醒】1.理想变压器变压比公式对有一个或n个副线圈的变压器均适用.而变流比公