2020年高考物理二轮复习 专题四 第二讲 电磁感应的规律及综合应用课件

第二讲电磁感应的规律及综合应用本考点主要考查对楞次定律及法拉第电磁感应定律的理解及应用，主要涉及楞次定律、右手定则、法拉第电磁感应定律、平动(或转动)切割公式等知识，高考常将电磁感应现象结合实际情境进行考查，难度中等。解决这类问题的关键是要清楚不同磁场的分布特点，分析出电磁感应过程中穿过闭合回路的磁通量的变化情况，以不变应万变。考点一楞次定律及法拉第电磁感应定律的应用释疑4大考点明确判断感应电流方向的方法1．理解“三定则”“两定律”的用途安培定则：判断运动电荷、电流产生的磁场方向____定则：判断磁场对运动电荷、电流的作用力的方向三定则_____定则：判断部分导体切割磁感线产生感应电流的方向，如诊断卷第3、4题楞次定律：判断闭合电路发生变化产生感应电流的方向两定律法拉第电磁感应定律：确定感应电动势的大小左手右手磁通量2．弄清楞次定律中“阻碍”的主要表现形式(1)“增反减同”——阻碍原磁通量的变化，或阻碍原电流的变化(如自感现象)。(2)“增缩减扩”——使线圈面积有扩大或缩小的趋势。如诊断卷第1题。(3)“来拒去留”——阻碍相对运动。掌握计算感应电动势大小的两种方法1．应用法拉第电磁感应定律计算(1)E＝nΔΦΔt，公式求解的是一个回路中某段时间内的平均电动势，在磁通量均匀变化时，瞬时值才等于平均值。(2)E＝nSΔBΔt，公式求感应电动势时，S为线圈在磁场范围内的有效面积。注意：感应电荷量的计算：q＝IΔt＝nΔΦΔt·RΔt＝nΔΦR。即通过回路截面的电荷量q仅与n、ΔΦ和回路电阻R有关，与时间长短无关。2．应用切割公式计算(1)平动切割：E＝BLv，如诊断卷第3题。(2)转动切割：E＝12BL2ω，如诊断卷第4题。[题点全练]1．(2019·全国卷Ⅲ)楞次定律是下列哪个定律在电磁感应现象中的具体体现？()A．电阻定律B．库仑定律C．欧姆定律D．能量守恒定律解析：楞次定律中的“阻碍”作用，是能量守恒定律在电磁感应现象中的具体体现，在克服这种“阻碍”的过程中，其他形式的能转化为电能，选项D正确。答案：D2．[多选](2019·全国卷Ⅰ)空间存在一方向与纸面垂直、大小随时间变化的匀强磁场，其边界如图(a)中虚线MN所示。一硬质细导线的电阻率为ρ、横截面积为S，将该导线做成半径为r的圆环固定在纸面内，圆心O在MN上。t＝0时磁感应强度的方向如图(a)所示；磁感应强度B随时间t的变化关系如图(b)所示。则在t＝0到t＝t1的时间间隔内()图(a)图(b)A．圆环所受安培力的方向始终不变B．圆环中的感应电流始终沿顺时针方向C．圆环中的感应电流大小为B0rS4t0ρD．圆环中的感应电动势大小为B0πr24t0解析：由于通过圆环的磁通量均匀变化，故圆环中产生的感应电动势、感应电流的大小和方向不变，但t0时刻磁场方向发生变化，故安培力方向发生变化，A错。根据楞次定律，圆环中感应电流的方向始终沿顺时针方向，B对。根据法拉第电磁感应定律，感应电动势E＝ΔBΔt·S′＝B0t0·πr22＝πB0r22t0，根据闭合电路欧姆定律知，电流I＝ER＝πB0r22t0ρ2πrS＝B0rS4t0ρ，C对，D错。答案：BC3.(2018·全国卷Ⅰ)如图，导体轨道OPQS固定，其中PQS是半圆弧，Q为半圆弧的中点，O为圆心。轨道的电阻忽略不计。OM是有一定电阻、可绕O转动的金属杆，M端位于PQS上，OM与轨道接触良好。空间存在与半圆所在平面垂直的匀强磁场，磁感应强度的大小为B。现使OM从OQ位置以恒定的角速度逆时针转到OS位置并固定(过程Ⅰ)；再使磁感应强度的大小以一定的变化率从B增加到B′(过程Ⅱ)。在过程Ⅰ、Ⅱ中，流过OM的电荷量相等，则B′B等于()A.54B.32C.74D．2解析：在过程Ⅰ中，根据法拉第电磁感应定律，有E1＝ΔΦ1Δt1＝B12πr2－14πr2Δt1根据闭合电路欧姆定律，有I1＝E1R且q1＝I1Δt1在过程Ⅱ中，有E2＝ΔΦ2Δt2＝B′－B12πr2Δt2I2＝E2Rq2＝I2Δt2又q1＝q2，即B12πr2－14πr2R＝B′－B12πr2R所以B′B＝32。答案：B电磁感应的规律在人们的日常生产与生活、科学技术与社会中有着广泛的应用，解答这类问题时关键是要根据题目所给的情景描述，挖掘有用的信息，理解有关原理，结合电磁感应的规律进行分析。这类问题体现了物理知识与实际的密切联系，是高考的常考命题点。建议适当关注。考点二电磁感应中的STSE问题[题点全练]1．(2017·全国卷Ⅰ)扫描隧道显微镜(STM)可用来探测样品表面原子尺度上的形貌。为了有效隔离外界振动对STM的扰动，在圆底盘周边沿其径向对称地安装若干对紫铜薄板，并施加磁场来快速衰减其微小振动，如图所示。无扰动时，按下列四种方案对紫铜薄板施加恒磁场；出现扰动后，对于紫铜薄板上下及左右振动的衰减最有效的方案是()答案：A解析：施加磁场来快速衰减STM的微小振动，其原理是电磁阻尼，在振动时通过紫铜薄板的磁通量变化，紫铜薄板中产生感应电动势和感应电流，则其受到安培力作用，该作用阻碍紫铜薄板振动，即促使其振动衰减。方案A中，无论紫铜薄板上下振动还是左右振动，通过它的磁通量都发生变化；方案B中，当紫铜薄板上下振动时，通过它的磁通量可能不变，当紫铜薄板向右振动时，通过它的磁通量不变；方案C中，紫铜薄板上下振动、左右振动时，通过它的磁通量可能不变；方案D中，当紫铜薄板上下振动时，紫铜薄板中磁通量可能不变。综上可知，对于紫铜薄板上下及左右振动的衰减最有效的方案是A。2．(2019·唐山一中模拟)如图所示是某校首届中学生创意物理实验设计展评活动中获得一等奖的作品《小熊荡秋千》。两根彼此靠近且相互绝缘的金属棒C、D固定在铁架台上，C、D的两端用柔软的细导线吊了两个铜线圈P、Q(Q上粘有一张小熊的图片)，并组成一闭合回路，两个磁性很强的条形磁铁如图放置，当用手左右摆动线圈P时，线圈Q也会跟着摆动，仿佛小熊在荡秋千。关于此作品，以下说法正确的是()A．P向右摆动的过程中，P中的电流方向为逆时针方向(从右向左看)B．P向右摆动的过程中，Q也会向右摆动C．P向右摆动的过程中，Q会向左摆动D．若用手左右摆动Q，P会始终保持静止答案：B解析：P向右摆动的过程中，穿过P中的磁通量减小，根据楞次定律，P中有顺时针方向的电流(从右向左看)，故A错误。P向右摆动的过程中，P中的电流方向为顺时针方向，则Q下端的电流方向向外，根据左手定则知，下端所受的安培力向右，则Q向右摆动。同理，用手左右摆动Q，P也会左右摆动，故B正确，C、D错误。3．(2019·江门调研)如图所示为游乐场中过山车的“磁力刹车装置”。在过山车两侧安装铜片，停车区的轨道两侧安装强力磁铁，当过山车进入停车区时，铜片与强力磁铁的相互作用使过山车能很快地停下，下列说法中错误的是()A．过山车进入停车区时其动能转化成电能B．过山车进入停车区的过程中两侧的铜片中会产生感应电流C．把铜片换成有机玻璃片，也能达到相同的刹车效果D．过山车进入停车区的过程中铜片受到的安培力使过山车减速解析：铜片切割磁感线产生感应电流，便受到安培力使过山车减速，过山车的动能转化成了电能。C选项中玻璃片不能发生电磁感应，达不到同样的刹车效果，故C错误。答案：C电磁感应中的图像问题是高考考查的热点问题，常见图像有磁感应强度B、磁通量Φ、感应电动势e、感应电流i、安培力F等各量随时间t(或位移x)的变化图像，主要以选择题形式出现，也可能融入计算题中进行考查。建议对本考点多加关注。考点三电磁感应中的图像问题解决电磁感应图像问题的“三点关注”(1)关注图像所描述的物理意义；明确各种“＋”“－”的含义；(2)关注变化过程，看电磁感应发生的过程分为几个阶段，这几个阶段是否和图像变化相对应，一般进磁场或出磁场，磁通量最大或最小，有效切割长度最大或最小等是分段的关键点。(3)关注大小、方向的变化趋势，看图线斜率的大小、图线的曲直是否和物理过程对应。熟悉两个技法，做到解题快又准1．函数法根据题目所给条件定量地写出两个物理量之间的函数关系，然后由函数关系对图像作出分析和判断，这未必是最简捷的方法，但却是最准确有效的方法。2．排除法定性地分析电磁感应过程中物理量的变化趋势(增大还是减小)、变化快慢(均匀变化还是非均匀变化)，特别是物理量的正负，排除错误的选项。没有表示方向的正负时，优先判断方向有时会产生意想不到的效果。如诊断卷第9题，由右手定则可判断x＝0时电流方向为顺时针，A项错误；在x＝a2时，正方形导线框右边上下两段切割磁感线产生的电动势等大反向，电流为0，C项错误；在a2＜x＜a的区域，正方形导线框右边下半边电动势较大，电流方向为逆时针，D项错误。[例1][多选](2019·全国卷Ⅱ)如图，两条光滑平行金属导轨固定，所在平面与水平面夹角为θ，导轨电阻忽略不计。虚线ab、cd均与导轨垂直，在ab与cd之间的区域存在垂直于导轨所在平面的匀强磁场。将两根相同的导体棒PQ、MN先后自导轨上同一位置由静止释放，两者始终与导轨垂直且接触良好。已知PQ进入磁场时加速度恰好为零。从PQ进入磁场开始计时，到MN离开磁场区域为止，流过PQ的电流随时间变化的图像可能正确的是()ABCD[解析]PQ刚进入磁场时，加速度为零，则mgsinθ＝BIL，I＝mgsinθBL，即电流恒定；且由题意知，MN刚进入磁场时与PQ刚进入磁场时速度相同。情形1：若MN刚进入磁场时，PQ已离开磁场区域，则对MN，由mgsinθ＝BIL及右手定则知，通过PQ的电流大小不变，方向相反，故I­t图像如图A所示。情形2：若MN刚进入磁场时，PQ未离开磁场区域，由于两导体棒速度相等，产生的电动势等大、反向，故电流为0，但两棒在重力作用下均加速直至PQ离开磁场，此时MN为电源，由E＝BLv，I＝ER总，BIL－mgsinθ＝ma知，MN减速，电流减小，可能的I­t图像如图D所示。[答案]AD[题点全练]1．[多选](2019·全国卷Ⅲ)如图，方向竖直向下的匀强磁场中有两根位于同一水平面内的足够长的平行金属导轨，两相同的光滑导体棒ab、cd静止在导轨上。t＝0时，棒ab以初速度v0向右滑动。运动过程中，ab、cd始终与导轨垂直并接触良好，两者速度分别用v1、v2表示，回路中的电流用I表示。下列图像中可能正确的是()ABCD解析：导体棒ab运动，切割磁感线，产生感应电流(逆时针)，导体棒ab受阻力F作用，速度减小，导体棒cd受安培力F′作用，速度变大。如图所示。由E＝Blv知，感应电动势E随速度v的减小而减小，则感应电流非均匀变化。当两棒的速度相等时，回路上感应电流消失，两棒在导轨上以共同速度做匀速运动。系统的动量守恒，则mv0＝2mv共，v共＝v02，A对。导体棒cd受变力作用，加速度逐渐减小，其v­t图像应该是曲线，B错。由前面分析知，两导体棒做变速运动，感应电流变小，最后为零，但非均匀变化，C对，D错。答案：AC2．(2018·全国卷Ⅱ)如图，在同一水平面内有两根平行长导轨，导轨间存在依次相邻的矩形匀强磁场区域，区域宽度均为l，磁感应强度大小相等、方向交替向上向下。一边长为32l的正方形金属线框在导轨上向左匀速运动。线框中感应电流i随时间t变化的正确图线可能是()解析：设线路中只有一边切割磁感线时产生的感应电流为i。线框位移等效电路的连接电流0～l2I＝2i(顺时针)l2～lI＝0l～3l2I＝2i(逆时针)3l2～2lI＝0综合分析知，只有选项D符合要求。答案：D3．[多选](2017·全国卷Ⅱ)两条平行虚线间存在一匀强磁场，磁感应强度方向与纸面垂直。边长为0.1m、总电阻为0.005Ω的正方形导线框abcd位于纸面内，cd边与磁场边界平行，如图(a)所示。已知导线框一直向右做匀速直线运动，cd边于t＝0时刻进入磁场。线框中感应电动势随时间变化的图线如图(b)所示(感应电流的方向为顺时针时，感应电动势取正)。下列说法正确的是()A．磁感应强度的大小为0.5TB．导线框运动速度的大小为0.5m/sC．