1、专题突破十一 电磁感应定律的综合应用,大一轮复习讲义,第九章 电磁感应,NEIRONGSUOYIN,内容索引,研透命题点,随堂测试,细研考纲和真题 分析突破命题点,随堂检测 检测课堂学习效果,课时作业,限时训练 练规范 练速度,研透命题点,1.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、进出磁场的转折点等是解决此类问题的关键. 2.解题步骤 (1)明确图象的种类，即是Bt图象还是t图象，或者Et图象、It图象等； (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的对应关系； (4)结合法拉第电磁感应定律、闭合电路欧姆定律、牛顿运动定律等知识写出相
2、应的函数关系式；,命题点一 电磁感应中的图象问题,(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. 3.两种常用方法 (1)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)，特别是分析物理量的正负，以排除错误的选项. (2)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象进行分析和判断.,例1 (多选)(2018扬州中学5月模拟)在光滑水平桌面上有一边长为l的正方形线框abcd，bc边右侧有一等腰直角三角形匀强磁场区域efg，三角形腰长为l，磁感应强度垂直桌面向下，abe
3、f在同一直线上，其俯视图如图1所示，线框从图示位置在水平拉力F作用下向右匀速穿过磁场区，线框中感应电流i及拉力F随时间t的变化关系可能是(以逆时针方向为电流的正方向，F向右为正方向，时间单位为 ),图1,变式1 (2018如皋市调研)将一段导线绕成如图2甲所示的闭合回路，并固定在水平面(纸面)内.回路的ab边置于垂直纸面向里的匀强磁场中.回路的圆环区域内有垂直纸面的磁场，以向里为磁场的正方向，其磁感应强度B随时间t变化的图象如图乙所示.用F表示ab边受到的安培力，以水平向右为F的正方向，能正确反映F随时间t变化的图象是,图2,1.解决电磁感应中的动力学问题的一般思路,命题点二 电磁感应中的动力
4、学与能量问题,2.能量转化及焦耳热的求法 (1)能量转化,(2)求解焦耳热Q的三种方法,3.单棒导体切割磁感线的一般运动过程,4.两种状态及处理方法,模型1 “导体棒”切割磁感线 例2 (多选)(2018江苏单科9)如图3所示，竖直放置的“ ”形光滑导轨宽为L，矩形匀强磁场、的高和间距均为d，磁感应强度为B.质量为m的水平金属杆由静止释放，进入磁场和时的速度相等.金属杆在导轨间的电阻为R，与导轨接触良好，其余电阻不计，重力加速度为g.金属杆 A.刚进入磁场时加速度方向竖直向下 B.穿过磁场的时间大于在两磁场之间的运动时间 C.穿过两磁场产生的总热量为4mgd D.释放时距磁场上边界的高度h可能
5、小于,图3,解析 穿过磁场后，金属棒在磁场之间做加速运动，在磁场上边缘速度大于从磁场出来时的速度，即进入磁场时速度等于进入磁场时速度，大于从磁场出来时的速度.金属棒在磁场中做减速运动，加速度方向向上，A错. 金属棒在磁场中做减速运动，由牛顿第二定律知,a随着减速过程逐渐变小，即在前一段做加速度减小的减速运动.,在磁场之间做加速度为g的匀加速直线运动，两个过程位移大小相等，由vt图象(可能图象如图所示)可以看出前一段用时多于后一段用时，B对.,由于进入两磁场时速度相等，由动能定理知， W安1mg2d0， W安12mgd. 即通过磁场产生的热量为2mgd，故穿过两磁场产生的总热量为4mgd，C对.
6、 设刚进入磁场时速度为v，则由机械能守恒定律知,例3 (2018南京市三模) 如图4甲所示，固定在水平桌面上的间距为L的光滑平行金属导轨，其右端MN间接有阻值为R的定值电阻，导轨上存在着以efhg为边界，宽度为d的匀强磁场，磁场磁感应强度B随时间t变化的规律如图乙所示，方向竖直向下.一长度为L的金属棒垂直于导轨放置，金属棒的电阻也为R，在t0时刻从图示位置在恒力作用下由静止开始沿导轨向右运动，tt0时刻恰好进入磁场，此时磁感应强度为B0，并保持不变.金属棒从图示位置到恰好穿出磁场的运动过程中，电阻R上的电流大小不变，导轨电阻不计.求：,图4,(1)0t0时间内流过电阻R的电流I的大小和方向；,
7、由楞次定律可知，电流方向为由N到M,(2)金属棒穿过磁场的速度及所受恒力的大小；,解析 经分析可知，金属棒穿过磁场的过程中电动势大小与0t0时间内相同,金属棒匀速通过磁场由受力平衡得FBIL,(3)金属棒从图示位置到恰好穿出磁场的运动过程中，电阻R上产生的焦耳热Q.,变式2 (2018泰州中学月考)如图5甲所示，MN、PQ为水平放置的足够长的平行光滑导轨，导轨间距L为0.5 m，导轨左端连接一个阻值为2 的定值电阻R， 将一根质量为0.2 kg的金属棒cd垂直放置在导轨上，且与导轨接触良好，金属棒 cd的电阻r2 ，导轨电阻不计，整个装置处于垂直导轨平面向下的匀强磁场中， 磁感应强度B2 T.
8、若棒以1 m/s的初速度向右运动，同时对棒施加水平向右的拉 力F作用，并保持拉力的功率恒为4 W，从此时开始计时，经过2 s金属棒的速度 稳定不变，图乙为安培力与时间的关系图象.试求：,图5,(1)金属棒的最大速度；,答案 4 m/s,解析 金属棒速度最大时，所受合外力为零，即F安mF.,(2)金属棒的速度为3 m/s时的加速度大小；,解析 金属棒速度为3 m/s时，感应电动势EBLv20.53 V3 V.,根据牛顿第二定律FF安ma,(3)求从开始计时起2 s内电阻R上产生的电热.,答案 3.25 J,W安6.5 J,模型2 “导线框”切割磁感线 例4 (2018南通市、泰州市一模)如图6所
9、示，光滑绝缘斜面倾角为，斜面上平行于底边的虚线MN、PQ间存在垂直于斜面向上、磁感应强度为B的匀强磁场，MN、PQ相距为L.一质量为m、边长为d(dL)的正方形金属线框abef置于斜面上，线框电阻为R.ab边与磁场边界MN平行，相距为L.线框由静止释放后沿斜面下滑，ef边离开磁场前已做匀速运动，重力加速度为g.求： (1)线框进入磁场过程中通过线框横截面的电荷量q；,图6,磁通量的变化量Bd2,(2)线框ef边离开磁场区域时速度的大小v；,受到的安培力FIdB 由平衡条件有mgsin F0,(3)线框穿过磁场区域产生的热量Q.,例5 (2018扬州市一模)实验小组想要探究电磁刹车的效果，在遥控
10、小车底面安装宽为L、长为2.5L的N匝矩形线框abcd，总电阻为R，面积可认为与小车底面相同，其平面与水平地面平行，小车总质量为m.如图7是简化的俯视图，小车在磁场外以恒定的功率做直线运动，受到地面阻力恒为Ff，进入磁场前已达到最大速度v，车头(ab边)刚要进入磁场时立即撤去牵引力，车尾(cd边)刚出磁场时速度恰好为零.已知有界磁场宽度为2.5L，磁感应强度为B，方向竖直向下.求：,图7,(1)进入磁场前小车所受牵引力的功率P；,答案 Ffv,解析 进入磁场前小车匀速运动时速度最大，根据受力平衡则有：FFf 牵引力的功率为：PFvFfv；,(2)车头刚进入磁场时，感应电流的大小I；,解析 车头
11、刚进入磁场时，产生的感应电动势为：ENBLv,(3)电磁刹车过程中产生的焦耳热Q.,解析 根据能量守恒定律得：,可得，电磁刹车过程中产生的焦耳热为：,随堂测试,1.(多选)(2018启东中学月考)如图8所示，两固定的竖直光滑金属导轨足够长且电阻不计.两质量、长度均相同的导体棒c、d置于边界水平的匀强磁场上方同一高度h处.磁场宽为3h，方向与导轨平面垂直.先由静止释放c，c刚进入磁场立即匀速运动，此时再由静止释放d，两导体棒与导轨始终保持良好接触.用ac表示c的加速度，Ekd表示d的动能，xc、xd分别表示c、d相对释放点的位移.下图中正确的是,1,2,3,4,图8,解析 导体棒c进入磁场前做自
12、由落体运动，加速度恒为g，有h gt2，vgt，c棒进入磁场以速度v做匀速直线运动的路程为hvtgt22h，此后d棒进入磁场，d棒进入磁场而c棒还没有穿出磁场的过程，无电磁感应，两导体棒仅受到重力作用，加速度均为g，直到c棒穿出磁场，穿出磁场后c棒仅受重力，加速度仍为g，A错误，B正确； c棒穿出磁场后，d棒切割磁感线产生感应电动势，在回路中产生感应电流，因此时d棒速度大于c棒进入磁场时切割感线的速度，故感应电动势、感应电流、感应安培力都大于c棒刚进入磁场时的大小，d棒减速，直到穿出磁场仅受重力，做匀加速运动，结合匀变速直线运动v2v022gh，可知匀加速过程动能与运动距离成正比，D正确.,1
13、2,3,4,2.(2018如皋市模拟四)如图9所示，质量为m、电阻为R的单匝矩形线框置于光滑水平面上，线框边长abL、ad2L.虚线MN过ad、bc边中点.一根能承受最大拉力为F0的细线沿水平方向拴住ab边中点O，细线与ab边垂直.从某时刻起，在MN右侧加一方向竖直向下的匀强磁场，磁感应强度大小按Bkt的规律均匀变化.一段时间后，细线被拉断，线框向左运动，ab边穿出磁场时的速度为v.求： (1)细线断裂前线框中的电功率P；,1,2,3,4,图9,(2)细线断裂后瞬间线框的加速度大小a及线框离开磁场的过程中安培力所做的功W；,1,2,3,4,3.(2018南京师大附中5月模拟)近期大功率储能技
14、术受到媒体的广泛关注，其中飞轮储能是热点之一.为说明某种飞轮储能的基本原理，将模型简化为如图10所示：光滑的”形导轨水平放置，电阻不计，长度足够.轨道平行部分间距为L1 m，导轨上静止放置有长度也为L、质量为m100 kg、接入电路的电阻为R10.1 的导体棒AB.导轨间虚线框区域有垂直轨道平面向上的均匀变化磁场.虚线框右侧区域有垂直轨道平面向下的匀强磁场，磁感应强度为B10 T.图中开关S接a，经过足够长时间，棒AB向右匀速运动，速度为v100 m/s.然后若将开关S接b，棒AB可作为电源对电阻R2供电，电阻R20.9 . (1)开关S接a，棒AB匀速运动时，虚线框中的磁场磁通量 每秒钟变化
15、多少？,答案 1 000 Wb,1,2,3,4,图10,解析 棒匀速运动时加速度为零，安培力为零，电流为零，磁通量不变，所以虚线框中磁场磁通量每秒增加BLvt1 000 Wb；,1,2,3,4,(2)求开关S接b的瞬间棒AB的加速度大小.,答案 100 m/s2,1,2,3,4,(3)求开关S接b后R2产生的总热量Q.,答案 4.5105 J,1,2,3,4,4.(2018苏州市模拟)如图11所示，空间存在竖直向下的有界匀强磁场，磁感应强度大小为B.一边长为L、质量为m、电阻为R的正方形单匝导线框abcd放在水平桌面上.在水平拉力作用下，线框从左边界以速度v匀速进入磁场，当cd边刚进入磁场时撤
16、去拉力，ab边恰好能到达磁场的右边界.已知线框与桌面间的动摩擦因数为，磁场宽度大于L，重力加速度为g.求： (1)ab边刚进入磁场时，其两端的电压U；,图11,解析 感应电动势EBLv,1,2,3,4,(2)水平拉力的大小F和磁场的宽度d；,1,2,3,4,(3)整个过程中产生的总热量Q.,1,2,3,4,课时作业,1.(2017南通市第二次调研)如图1所示，闭合导线框匀速穿过垂直纸面向里的匀强磁场区域，磁场区域宽度大于线框尺寸，规定线框中逆时针方向的电流为正，则线框中电流i随时间t变化的图象可能正确的是,1,2,3,4,5,6,7,双基巩固练,图1,8,9,10,解析 闭合导线框进入磁场时由
17、楞次定律知电流方向为逆时针，故排除D， 闭合导线框离开磁场时由楞次定律知电流方向为顺时针，故排除A， 根据有效切割长度的变化可知，C错误，B正确.,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,2.(多选)(2018盐城中学月考)如图2所示，电阻为R的金属棒，从图示位置分别以速率v1、v2沿电阻不计的光滑轨道从ab匀速滑到ab处，若v1v212，则在两次移动过程中 A.回路中感应电流I1I212 B.回路中产生热量Q1Q212 C.回路中通过横截面的总电荷量q1q212 D.金属棒产生的感应电动势E1E212,图2,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,3.(2018南京市三校联考)如图3所示
18、线圈由A位置开始下落，不计空气阻力，在磁场中受到的安培力如果总小于它的重力，则它在A、B、C、D四个位置(B、D位置恰好线圈有一半在磁场中)时，加速度关系为 A.aAaBaCaD B.aAaCaBaD C.aAaCaDaB D.aAaCaDaB,图3,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,4.(2017宜兴市下学期初考)如图4所示，在光滑水平面上，有一个粗细均匀的单匝正方形闭合线框abcd.t0时刻，线框在水平外力的作用下，从静止开始向右一直做匀加速直线运动，bc边刚进入磁场的时刻为t1，ad边刚进入磁场的时刻为t2，设线框中产生的感应电流的大小为i，ad边两端电压大小为U，水平拉力大小
19、为F，则下列i、U、F随运动时间t变化关系图象正确的是,图4,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,5.(多选)如图5甲所示，闭合矩形导线框abcd固定在匀强磁场中，磁场的方向与导线框所在平面垂直.规定垂直纸面向里为磁场的正方向，abcda方向为电流的正方向，水平向右为安培力的正方向.磁感应强度B随时间t变化的规律如图乙所示，下列关于线框中的电流i、ad边所受的安培力F随时间t变化的图象，正确的是,图5,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,1,2,3,4,5,
20、6,7,8,9,10,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,6.(多选)(2018海安中学月考)水平固定放置的足够长的U形金属导轨处于竖直向上的匀强磁场中，如图6所示，在导轨上放着金属棒ab，开始时ab棒以水平初速度v0向右运动，最后静止在导轨上，就导轨光滑和粗糙两种情况比较，这个过程 A.外力对棒所做功相等 B.电流所做的功相等 C.通过ab棒的电荷量相等 D.安培力对ab棒所做的功不相等,图6,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,解析 根据动能定理，两种情况下外力的功都等于动能的变化量，因初状态和末状态相同，则外力对棒做功相同，选项A正确
21、 电流所做的功等于回路中产生的焦耳热，根据功能关系可知导轨光滑时，金属棒克服安培力做功多，产生的焦耳热多，电流做功多，故B错误；,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,当导轨光滑时，金属棒克服安培力做功，动能全部转化为焦耳热，产生的内能等于金属棒的初动能；当导轨粗糙时，金属棒在导轨上滑动，一方面要克服摩擦力做功，摩擦生热，把部分动能转化为内能，另一方面要克服安培力做功，金属棒的部分动能转化为焦耳热，摩擦力做功产生的内能与克服安培力做功转化为内能的和等于金属棒的初动能；所以导轨粗糙时，安培力做的功少，导轨光滑时，安培力做的功多，故D正确.,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,7.(多
22、选)(2018溧水中学期初模拟)如图7所示，两根足够长的直金属导轨平行放置在倾角为的绝缘斜面上，两导轨间距为L，底端接有阻值为R的电阻.一根质量为m的均匀直金属杆ab放在两导轨上，并与导轨垂直，导轨和杆ab的电阻可忽略.整个装置处于磁感应强度为B的匀强磁场中，磁场方向垂直斜面向上.让杆ab沿轨道由静止开始下滑，导轨和杆ab接触良好，不计它们之间的摩擦，杆ab由静止下滑距离s时，已匀速运动，重力加速度为g.则,A.匀速运动时杆ab的速度为 B.匀速运动时杆ab受到的安培力大小为mgsin C.杆ab由静止下滑距离s过程中，安培力做功为mgssin D.杆ab由静止下滑距离s过程中，电阻R产生的热
23、量为mgssin ,图7,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,8.(2018南京市学情调研)如图8所示，电阻不计、间距为l1.0 m的光滑平行金属导轨，水平放置于磁感应强度B1.0 T、方向竖直向下的匀强磁场中，导轨左端接一定值电阻R1.5 ，质量为m1.0 kg、电阻为r0.5 的金属棒MN置于导轨上，始终垂直导轨且接触良好.当MN受到垂直于棒的水平外力F2.0 N的作用，由静止开始运动，经过位移x1.55 m，到达PQ处(图中未画出)，此时速度为v2.0 m/s.求： (1)金属棒在PQ处所受磁场作用力大小；,综合提升练,图8,答案 1.0
24、N,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,解析 速度为v2.0 m/s时，回路中感应电动势为EBlv,由此得磁场对金属棒的作用力为：,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,(2)金属棒在PQ处的加速度大小；,答案 1.0 m/s2,解析 由牛顿第二定律有FF安ma,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,(3)金属棒在运动中回路总共产生的热能.,答案 1.1 J,解析 设金属棒受到的安培力做功为W，由动能定理得FxW mv2,金属棒克服安培力所做的功，即回路中总共产生的热能得QW1.1 J.,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,9.(2018盐城市三模)如图9所示，在竖直平面内
25、水平且平行的、虚线间距为L，其间有垂直纸面向外的匀强磁场，磁感应强度为B.一长为2L、宽为L的矩形线框质量为m、电阻为R.开始时，线框下边缘正好与虚线重合，由静止释放，线框上边缘进入磁场后线框一直做减速运动，经过一段时间后，线框上边缘经过虚线瞬间加速度恰为0.重力加速度为g，不计空气阻力.求矩形线框穿过磁场过程中： (1)上边缘经过虚线瞬间，线框中电流的大小；,图9,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,(2)磁通量变化率的最大值；,解析 线框上边缘刚进磁场时磁通量的变化率最大，设此时速度为v1，,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,(3)线框中产生的焦耳热.,解析 设线框上边缘通
26、过虚线瞬间线框速度为v2，则BLv2IR 设线框穿过磁场过程中克服安培力做的功为W，根据动能定理,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,10.(2018镇江市模拟)如图10所示，两根足够长的平行金属导轨固定在倾角30的斜面上，其电阻不计，间距为0.4 m.导轨所在空间被分成区域和，两区域的边界为MN，区域和中的匀强磁场B的方向分别垂直斜面向下和垂直斜面向上，磁感应强度大小均为0.5 T.将质量为0.1 kg、电阻为0.1 的导体棒ab放在导轨上的区域中，ab刚好不下滑.再在区域中将质量为0.4 kg、电阻为0.1 的光滑导体棒cd从导轨上由静止开始下滑.cd棒始终处于区域中，两棒与导轨垂直
27、且与导轨接触良好，g取10 m/s2.,图10,(1)求ab棒所受最大静摩擦力，并判断cd棒下滑时ab棒中电流的方向；,答案 0.5 N 由a流向b,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,解析 ab刚好不下滑时，ab所受摩擦力为最大静摩擦力 有Ffmaxm1gsin 则Ffmax0.5 N 由右手定则可知cd棒下滑时ab棒中电流方向由a流向b.,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,(2)ab棒刚要向上滑动时，cd棒的速度大小v；,答案 5 m/s,解析 设ab刚好要上滑时，cd棒的感应电动势为E，由法拉第电磁感应定律有EBlv,设ab所受安培力为F安，有F安BIl 此时ab受到的最大静摩擦力方向沿斜面向下， 由平衡条件有F安m1gsin Ffmax 代入数据解得v5 m/s.,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,(3)若从cd棒开始下滑到ab棒刚要向上滑动的过程中，装置中产生的总热量为2.6 J，求此过程中cd棒下滑的距离x.,答案 3.8 m,解析 设从cd棒开始下滑到ab棒刚要向上滑动的过程中装置中产生的总热量为Q总，由能量守恒有m2gxsin Q总 m2v2,解得x3.8 m.,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,
