（新课标）2020高中物理 第四章 电磁感应 章末小结课件 新人教版选修3-2

第四章电磁感应章末小结素养脉络构建电磁感应划时代的发现奥斯特梦圆“电生磁”法拉第心系“磁生电”相互联系、转化产生感应电流的条件闭合电路磁通量发生变化B变磁场强弱发生变化S变回路面积变化θ变B与S夹角变化电磁感应感应电流的方向楞次定律多用于回路中磁感应强度变化时右手定则多用于研究导体切割磁感线时感应电动势的大小E＝ΔΦΔt多用于回路中磁感应强度变化时E＝BLv多用于研究导体切割磁感线时特殊的电磁感应现象互感与自感涡流电磁阻尼和电磁驱动核心素养提升•1．对楞次定律的理解和应用•(1)楞次定律揭示了判断感应电流方向的规律，即“感应电流的磁场”总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，其核心思想是阻碍，楞次定律提供了判断感应电流方向的基本方法。•(2)楞次定律的扩展含义，即从磁通量变化的角度看，感应电流的磁场表现为“增反减同”；从磁体与回路的相对运动角度看，表现为“来拒去留”；从回路面积看，表现为“增缩减扩”；从导体中原电流的变化(自感)看，表现为“增反减同”。•(3)楞次定律体现了电磁感应现象符合能量守恒定律。在电磁感应过程中其他形式的能与电能相互转化，但总能量守恒，能量守恒定律丰富了我们处理电磁感应问题的思路。•如图所示，A为水平放置的胶木圆盘，在其侧面均匀分布着负电荷，在A的正上方用绝缘丝线悬挂一个金属圆环B，使B的环面水平且与圆盘面平行，其轴线与胶木盘A的轴线OO′重合。现使胶木盘A由静止开始绕其轴线OO′按箭头所示方向加速转动，则()•A．金属环B的面积有扩大的趋势，丝线受到的拉力增大•B．金属环B的面积有缩小的趋势，丝线受到的拉力减小•C．金属环B的面积有扩大的趋势，丝线受到的拉力减小•D．金属环B的面积有缩小的趋势，丝线受到的拉力增大B例1•解题指导：灵活运用楞次定律的扩展含义，是解答该类问题的有效途径。•解析：胶木盘A由静止开始绕其轴线OO′按箭头所示方向加速转动，形成环形电流，环形电流的大小增大，根据右手螺旋定则知，通过B线圈的磁通量向下，且增大，根据楞次定律，感应电流的磁场要阻碍磁通量的增大，由楞次定律的扩展含义知金属环的面积有缩小的趋势，且有向上的运动趋势，所以丝线的拉力减小。故B正确，A、C、D错误。故选B。•2．电磁感应中的电路问题•(1)在电磁感应现象中，导体切割磁感线或磁通量发生变化的回路将产生感应电动势，该导体或回路相当于电源。因此，电磁感应问题往往与电路问题联系在一起。•(2)解决与电路相联系的电磁感应问题的基本方法•①用法拉第电磁感应定律和楞次定律(右手定则)确定感应电动势的大小和方向。•②确定内电路和外电路，画等效电路图。•③运用闭合电路欧姆定律，串、并联电路的性质，电功率等公式求解。(3)与上述问题相关的几个知识点：①电源电动势E＝nΔΦΔt或E＝BLv②闭合电路欧姆定律I＝Er＋R③通过导体的电荷量q＝IΔt＝nΔΦR例2如图所示，在两条平行光滑的导轨上有一金属杆ab，外加磁场跟轨道平面垂直，导轨上连有两个定值电阻(R1＝5Ω，R2＝6Ω)和滑动变阻器R0，电路中的电压表量程为0～10V，电流表的量程为0～3A，把R0调至30Ω，用F＝40N的力使金属杆ab垂直导轨向右平移，当金属杆ab达到稳定状态时，两块电表中有一块表正好满偏，而另一块表还没有达到满偏，求此时金属杆ab速度的大小(其他电阻不计)。解题指导：产生感应电动势的那部分电路应等效为电源，其余部分视为外电路，必要时可画出等效电路图，再根据电路知识进行分析求解。解析：假如电流表满偏，则定值电阻R2两端的电压为U＝IR并＝3×6×3030＋6V＝15V，超过电压表的量程，故假设不成立。假如电压表满偏，则通过电流表的电流是I2＋I0＝106A＋1030A＝2A，小于电流表的量程，符合题意。金属杆ab切割磁感线产生的电动势E＝BLv金属杆ab相当于电源，有E＝U＋(I2＋I0)R1金属杆ab达到稳定速度时，F＝F安＝(I2＋I0)LB联立解得v＝1m/s•答案：1m/s•3．电磁感应中的力学问题•(1)导体中的感应电流在磁场中将受到安培力作用，所以电磁感应问题往往与力学问题联系在一起，处理此类问题的基本方法：•①用法拉第电磁感应定律和楞次定律求感应电动势的大小和方向。•②求回路中的电流强度的大小和方向。•③分析研究导体受力情况(包括安培力)。•④列动力学方程或平衡方程求解。(2)电磁感应现象中涉及的具有收尾速度的力学问题，关键要抓好受力情况和运动情况的动态分析：导体受力而运动产生感应电动势→感应电流→通电导体受安培力→合外力→加速度变化→速度变化→感应电动势变化周而复始地循环，达到稳定状态时，加速度等于零，导体达到稳定运动状态。•两种运动状态的处理思路：•①达到稳定运动状态后，导体匀速运动，受力平衡，应根据平衡条件——合外力为零，列式分析平衡态。•②导体达到稳定运动状态之前，往往做变加速运动，处于非平衡态，应根据牛顿第二定律或结合功能关系分析非平衡态。(3)电磁感应中的动力学临界问题①解决这类问题的关键是通过受力分析和运动状态的分析，寻找过程中的临界状态，如速度、加速度为最大值、最小值的条件。②基本思路：导体受外力运动――→E＝BLv感应电动势――→I＝ER感应电流――→F＝BIL导体安培力―→合外力变化―→加速度变化―→速度变化―→临界状态―→列式求解。•(多选)两根相距L的足够长的金属直角导轨如图所示放置，它们各有一边在同一水平面内，另一边垂直于水平面。质量均为m的金属细杆ab、cd与导轨垂直接触形成闭合回路，杆与导轨之间的动摩擦因数均为μ，导轨电阻不计，回路总电阻为2R。整个装置处于磁感应强度大小为B，方向竖直向上的匀强磁场中。当ab杆在平行于水平导轨的拉力F作用下以速度v1沿导轨匀速运动时，cd杆也正好以速度v2向下匀速运动。重力加速度为g。以下说法正确的是()AD例3A．ab杆所受拉力F的大小为μmg＋B2L2v12RB．cd杆所受摩擦力为零C．回路中的电流为BLv1＋v22RD．μ与v1大小的关系为μ＝2RmgB2L2v1•解题指导：(1)ab杆切割磁感线产生感应电动势，cd杆运动方向与磁场平行，不产生感应电动势。(2)对ab杆和cd杆分别进行受力分析，列平衡方程求解。解析：当ab杆向右以速度v1匀速运动时，切割磁感线产生动生电动势E1＝BLv1，cd杆竖直向下运动不切割磁感线E2＝0，所以回路中电流I＝E12R＝BLv12R，故选项C错误；由右手定则可知电流方向为a→b→d→c→a，由左手定则可知ab杆所受安培力水平向左，cd杆所受安培力水平向右。对ab杆受力分析，可得：F＝μmg＋F安＝μmg＋B2L2v12R，故选项A正确；对cd杆受力分析，可知：mg＝μF安＝μB2L2v12R得：μ＝2RmgB2L2v1，故选项B错误D正确。•4．电磁感应的图象问题•(1)图象问题的特点•考查方式比较灵活，有时根据电磁感应现象发生的过程，确定图象的正确与否，有时依据不同的图象，进行综合计算。•(2)解题关键•弄清初始条件，正、负方向的对应，变化范围，所研究物理量的函数表达式，进出磁场的转折点是解决问题的关键。•(3)解决图象问题的一般步骤•①明确图象的种类，即是B－t图还是Φ－t图，或者E－t图，I－t图等。•②分析电磁感应的具体过程。•③用右手定则或楞次定律确定方向对应关系。•④结合法拉第电磁感应定律、欧姆定律、牛顿定律等规律写出函数关系式。•⑤根据函数关系式，进行数学分析，如分析斜率的变化、截距等。•⑥画图象或判断图象。[特别提醒]对图象的理解，应做到“四明确一理解”(1)明确图象所描述的物理意义：明确各种“＋”“－”的含义；明确斜率的含义；明确图象和电磁感应过程之间的对应关系。(2)理解三个相似关系及其各自的物理意义：v、Δv、ΔvΔt，B、ΔB、ΔBΔt，Φ、ΔΦ、ΔΦΔtΔvΔt、ΔBΔt、ΔΦΔt分别反映了v、B、Φ变化的快慢。•(2019·四川省攀枝花市高二上学期检测)如图甲所示，圆形线圈位于随时间t变化的匀强磁场中，磁感应强度B随时间t的变化规律如图乙所示。取磁场垂直纸面向里为正，线圈中感应电流i顺时针方向为正，则i－t图线正确的是()D例4•解题指导：本题中线圈面积不变，磁场随时间变化产生感应电流，根据楞次定律和法拉第电磁感应定律判定。解析：设圆形线圈的匝数为n，线圈回路的面积为S，总电阻为R，根据法拉第电磁感应定律E＝nΔΦΔt＝nSΔBΔt，线圈电流i＝ER，得：在0～2s内，回路中电流大小恒为i＝nSB0R，沿逆时针方向，图像在横轴下方；在2～3秒内，磁场强弱不变，即ΔBΔt为零，i＝0；在3～4秒内，电流大小恒为i＝nSB0R，沿顺时针方向，图像出现在横轴上方。选项D正确。•5．电磁感应中的能量转化问题分析•(1)过程分析•①电磁感应现象中产生感应电流的过程，实质上是能量的转化过程。•②电磁感应过程中产生的感应电流在磁场中必定受到安培力的作用，因此，要维持感应电流的存在，必须有“外力”克服安培力做功。此过程中，其他形式的能转化为电能。“外力”克服安培力做了多少功，就有多少其他形式的能转化为电能。•③当感应电流通过用电器时，电能又转化为其他形式的能量。安培力做功的过程，是电能转化为其他形式能的过程，安培力做了多少功，就有多少电能转化为其他形式的能。•(2)求解思路•①利用安培力做的功求解：电磁感应中产生的电能等于克服安培力所做的功；•②利用能量守恒求解：若只有电能与机械能的转化，则机械能的减少量等于产生的电能；•③利用电路特征求解：即根据电路结构直接计算电路中所产生的电能。•如图所示，电动机牵引一根原来静止的、长l＝1m、质量m＝0.1kg、电阻R＝1Ω的导体棒MN向上运动，导体棒靠在处于磁感应强度B＝1T、竖直放置的框架上。当导体棒上升高度h＝3.8m时获得稳定速度，导体棒产生的热量为2J。电动机牵扯引棒时，电压表、电流表的读数分别为7V、1A并保持不变。电动机内阻r＝1Ω，不计框架电阻及一切摩擦，取g＝10m/s2。求：•(1)棒获得的稳定速度的大小；•(2)棒从静止达到稳定速度所需要的时间。例5•解题指导：(1)电动机工作时，电能转化为机械能和电动机内阻的内能。•(2)棒达到稳定速度时，受力平衡，牵引力＝安培力＋重力。•(3)电动机输出的电路＝导体棒增加的机械能＋导体棒产生的热量。解析：导体棒MN在电动机牵引下上升，切割磁感线产生感应电动势E＝Blv，回路中出现感应电流I′＝ER，棒受到安培力F′＝BI′l＝B2l2vR；达到稳定速度时，棒受力平衡，牵引力F＝F′＋mg＝B2l2vR＋mg①(1)对电动机有IU－I2r＝Fv②其中I＝1A，U＝7V，r＝1Ω，B＝1T，l＝1m，m＝0.1kg，R＝1Ω，①②式联立，且代入数据即可求得棒所达到的稳定速度v＝2m/s。(2)在棒从静止到速度稳定的过程中，对棒应用能量守恒定律有Fvt＝mgh＋12mv2＋Q③其中h＝3.8m，Q＝2J，m＝0.1kg，①②③式联立解得完成此过程所需时间t＝1s。•答案：(1)2m/s(2)1s触及高考演练•本章内容是高考的重点和热点，命题呈现以下特点：1考查的内容集中在楞次定律的应用及法拉第电磁感应定律与力学、能量、电路、图象的综合应用上。2考查的题型多是选择题或分值较高的计算题，以中档题为主。•一、高考真题探析•(多选)(2018·全国卷Ⅰ，19)如图，两个线圈绕在同一根铁芯上，其中一线圈通过开关与电源连接，另一线圈与远处沿南北方向水平放置在纸面内的直导线连接成回路。将一小磁针悬挂在直导线正上方，开关未闭合时小磁针处于静止状态。下列说法正确的是()例1A．开关闭合后的瞬间，小磁针的N极朝垂直纸面向里的方向转动B．开关闭合并保持一段时间后，小磁针的N极指向垂直纸面向里的方向C．开关闭合并保持一段时间后，小磁针的N极指向垂直纸面向外的方向D．开关闭合并保持