2020高考物理押题系列Ⅰ专题9 电磁感应

2020高考物理押题系列Ⅰ专题9 电磁感应

‎2020高考物理押题系列Ⅰ专题9 电磁感应 ‎ 一、2020大纲解读 二、重点剖析 ‎2．电磁感应与电路的综合问题，关键在于电路结构的分析，能正确画出等效电路图，并结合电学知识进行分析、求解．求解过程中首先要注意电源的确定．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．若产生感应电动势是由几个相互联系部分构成时，可视为电源的串联与并联．‎ 其次是要能正确区分内、外电路，通常把产生感应电动势那部分电路视为内电路．最后应用全电路欧姆定律及串并联电路的基本性质列方程求解．‎ ‎4．电磁感应中的图象问题 电磁感应的图象主要包括B-t图象、Φ-t图象、E-t图象和I-t图象，还可能涉及感应电动势E和感应电流I随线圈位移x变化的图象，即E-x图象和I-x图象．一般又可把图象问题分为两类：①由给定的电磁感应过程选出或画出正确的图象．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．解答电磁感应中的图象问题的基本方法是利用右手定则、楞次定律和法拉第电磁感应定律等规律分析解答．‎ 三、高考考点透视 M O x z N P Q y d l 图1‎ B O B0‎ ‎-B0‎ x λ ‎2λ 图2‎ ‎(1)简要叙述列车运行中获得驱动力的原理；‎ ‎(2)为使列车获得最大驱动力，写出MN、PQ边应处于磁场中的什么位置及λ与d之间应满足的关系式：‎ ‎(3)计算在满足第(2)问的条件下列车速度为v时驱动力的大小。‎ FMN = B0Il PQ边所受的安培力 FPQ = B0Il ‎2．电磁感应与电路的综合 例2．在磁感应强度为B=0.4 T的匀强磁场中放一个半径r0=‎50 cm的圆形导轨，上面搁有互相垂直的两根导体棒，一起以角速度ω=103 rad/s逆时针匀速转动.圆导轨边缘和两棒中央通过电刷与外电路连接，若每根导体棒的有效电阻为R0=0.8 Ω，外接电阻R=3.9 Ω，如所示，求：‎ ‎（1）每半根导体棒产生的感应电动势.‎ ‎（2）当电键S接通和断开时两电表示数（假定RV→∞，RA→0）.‎ ‎3．电磁感应中的图象问题 解析：0-1s内B垂直纸面向里均匀增大，则由楞次定律及法拉第电磁感应定律可得线圈中产生恒定的感应电流，方向为逆时针方向，排除A、C选项；2s-3s内，B垂直纸面向外均匀增大，同理可得线圈中产生的感应电流方向为顺时针方向，排除B选项，D正确。‎ 点拨：电磁感应图象问题是近几年高考的热点，特别是电流随时间变化和电压随时间变化的最多，复习时要加强这方面的训练。‎ ‎4．电磁感应中的能量转化 例4． 如图所示，空间等间距分布着水平方向的条形匀强磁场，竖直方向磁场区域足够长，磁感应强度B=1T，每一条形磁场区域的宽度及相邻条形磁场区域的间距均为d=‎0.5m，现有一边长l=‎0.2m、质量m=‎0.1kg、电阻R=0.1Ω的正方形线框MNOP以v0=‎7m/s的初速从左侧磁场边缘水平进入磁场，求 ‎（1）线框MN边刚进入磁场时受到安培力的大小F．‎ ‎（2）线框从开始进入磁场到竖直下落的过程中产生的焦耳热Q．‎ ‎（3）线框能穿过的完整条形磁场区域的个数n．‎ 点拔：在电磁感应中应用动量定理时，若安培力为变力作用，则可以利用平均值的方法分析求解，也可以应用数学知识中的求和进行求解．对于电磁感应中能量的转化问题，则通常采用能量．‎ 四、热点分析 件，牛顿运动定律等较多知识点，全面考查考生的分析综合能力．试题情景较复杂，能力要求较高，在近年来高考中出现的频率较高．‎ 反思：解决本题的关键是，将电磁感应问题与电路的分析与计算问题结合起来，先弄清电路结构，由导线ab平衡，求出磁感应强度B，再对电键断开后ab导线做动态分析，由平衡条件求出最终的速度．‎ 例6．如图所示，（a）是某人设计的一种振动发电装置，它的结构是一个半径为r＝‎0.1 m的有20匝的线圈套在辐向形永久磁铁槽中，磁场的磁感线均沿半径方向均匀分布［其右视图如图（b）］．在线圈所在位置磁感应强度B的大小均为0.2 T．线圈的电阻为2Ω，它的引出线接有8Ω的电珠L，外力推动线圈的P端，作往复运动，便有电流通过电珠．当线圈向右的位移随时间变化的规律如图所示时（x取向右为正）：‎ ‎　　　‎ ‎　　　　　　　　　　　　　　　　　　‎ ‎（1）试画出感应电流随时间变化的图象（取逆时针电流为正）．‎ ‎（2）求每一次推动线圈运动过程中的作用力．‎ ‎（3）求该发电机的功率．（摩擦等损耗不计）‎ ‎（2）由于线圈每次运动都是匀速直线运动，所以每次运动过程中推力必须等于安培力． ．‎ ‎（3）发电机的输出功率即灯的电功率，所以．‎ 答案：（1）图见解答 （2）0.5N （3）0.32W．‎ 反思：电磁感应问题一般会涉及立体空间图的分析，要求考生空间立体感到强，并能正确转化为平面图．解决本题的关键是，分析出线圈往返的每次运动都是匀速直线运动，先求出其切割磁感线运动的速度，进而求出感应电动势和感应电流．‎ 解析： 该题是一个在三维空间展开的电磁感应综合问题，因此空间的几何关系分析是解决这类问题的关键．‎ ‎（1）由题设条件可得：V，所以感应电流A，根据楞次定律可判断，感应电流的方向从a→b．‎ ‎（2）ab边所受的安培力为，方向垂直于斜面向上，当框架的ab边对斜面的压力为零时，由平衡条件得，由以上各式并代入数据得：t=0.8s．‎ 答案：t=0.8s 反思：本题情景比较复杂，考查考生物理学科知识的同时，考查考生空间想象能力和应用数学知识解决问题的能力．涉及到空间几何关系的这类具有典型空间特征的电磁感应综合问题，应引起同学们足够的重视．‎ 极间的磁场可视作匀强磁场，磁感强度B=0.010T,自行车车轮的半径R1=‎35cm，小齿轮的半径R2=‎4.0cm，大齿轮的半径R3=‎10.0cm．现从静止开始使大齿轮加速转动，问大齿轮的角速度为多大才能使发电机输出电压的有效值U=32V?（假设摩擦小轮与自行车轮之间无相对滑动）‎ 反思：本题是联系实际的STS问题，解答本题的关键：一是关于小型交流发电机的工作情况，另一是传动装置的作用，自行车车轮带动发电机转动、小齿轮与自行车车轮一起转动、大齿轮带动小齿轮转动。‎ 例2．‎ 在如图所示的倾角为θ的光滑斜面上，存在着两个磁感应强度大小为B的匀强磁场，区域I的磁场方向垂直斜面向上，区域Ⅱ的磁场方向垂直斜面向下，磁场的宽度均为L，一个质量为m、电阻为R、边长也为L的正方形导线框，由静止开始沿斜面下滑，当ab边刚越过GH进入磁场Ⅰ区时，恰好以速度 v1做匀速直线运动；当ab边下滑到JP与MN的中间位置时，线框又恰好以速度v2做匀速直线运动，从ab进入GH到MN与JP的中间位置的过程中，线框的动能变化量为△Ek，重力对线框做功大小为W1，安培力对线框做功大小为W2，下列说法中正确的有 （ ）‎ A．在下滑过程中，由于重力做正功，所以有v2＞v1‎ B．从ab进入GH到MN与JP的中间位置的过程中，机械能守恒 C．从ab进入GH到MN与JP的中间位置的过程，有（W1－△Ek）机械能转化为电能 D．从ab进入GH到MN与JP的中间位置的过程中，线框动能的变化量大小为△Ek= W1－W2‎ 反思： 本题以竖直面内矩形线框进入有界磁场产生电磁感应现象为背景，考查能的转化与守恒定律、感应电动势大小的计算、安培力、平衡条件等较多知识点，情景复杂，考查考生对基础知识的掌握和分析综合能力．‎ L h d B 例3：如图所示，两条水平虚线之间有垂直于纸面向里，宽度为d，磁感应强度为B的匀强磁场．质量为m，电阻为R的正方形线圈边长为L（L< d），线圈下边缘到磁场上边界的距离为h．将线圈由静止释放，其下边缘刚进入磁场和刚穿出磁场时刻的速度都是v0‎ ‎，则在整个线圈穿过磁场的全过程中（从下边缘进入磁场到上边缘穿出磁场），下列说法中正确的是　（ ）‎ A．线圈可能一直做匀速运动 B．线圈可能先加速后减速 C．线圈的最小速度一定是mgR／B‎2L2‎ D．线圈的最小速度一定是 答案：D 反思： 本题以竖直面内矩形线框进入有界磁场产生电磁感应现象为背景，考查能的转化与守恒定律、感应电动势大小的计算、安培力、平衡条件等较多知识点，情景复杂，考查考生对基础知识的掌握和分析综合能力。‎ 解析： 当线圈从图示位置转过90°时，感应电动势和电流获得最大值：Em=BSω，‎ Im=Em/R，代入数据得Im=2πA，线圈转动周期T=2π/ω=0.02s.‎ t/s i/A O ‎-2π ‎2π ‎0.01‎ ‎0.02‎ 在线圈从图示位置起转动的一个周期中，最初T/6和最后T/6内由于穿过线圈的磁通量保持不变，因此在这两段时间内线圈中没有感应电流，而在中间2T/3时间内，感应电流按正弦规律变化，并且磁场的有界不影响感应电流的最大值和周期．所以只要将线圈在无界磁场中转动一周的正弦交流电图象截去前T/6和后T/6部分，便得所要求作的图象，如图所示．‎ 反思： 本题考查电磁感应图象问题，涉及到感应电动势的计算，感应电流的计算，交变电流的有关规律等多方面知识，同时考查学生知识迁移能力和运用物理图象表达物理规律的能力．此类与图象有关的试题，是考查学生的基础知识和综合能力的良好载体．‎ ‎3．解决电磁感应现象中能量转化问题的基本方法与要点 ‎【2020高考预测】‎ ‎1．1831年法拉第发现用一块磁铁穿过一个闭合线路时，线路内就会有电流产生，这个效应叫电磁感应。法拉第电磁感应定律可以这样表述：闭合电路中感应电动势的大小 A．跟穿过这一闭合电路的磁通量成正比 B．跟穿过这一闭合电路的磁感应强度成正比 C．跟穿过这一闭合电路的磁通量的变化率成正比 D．跟穿过这一闭合电路的磁通量的变化量成正比 ‎2．电阻箱是一种可以调节电阻大小并且能够显示出电阻阻值的变阻器。制造 某种型号的电阻箱时，要用双线绕法，如右图所示。当电流变化时双线绕组 A．螺旋管内磁场发生变化 B．穿过螺旋管的磁通量不发生变化 C．回路中一定有自感电动势产生 D．回路中一定没有自感电动势产生 ‎4．如下图所示，有界匀强磁场的宽为l，方向垂直纸面向里，梯形线圈abcd位于纸面内，ad与bc间的距离也为l。t=0时刻，bc边与磁场边界重合。当线圈沿垂直于磁场边界的方向匀速穿过磁场时，线圈中的感应电流I随时间t变化的图线可能是（取顺时针方向为感应电流正方向）‎ ‎6．如右图所示电路中，均匀变化的匀强磁场只存在于虚线框内，三个电阻阻值之比R1∶R2∶R3=1∶2∶3，其他部分电阻不计。当S3断开，而S1、S2闭合时，回路中感应电流为I，当S1断开，而S2、S3闭合时，回路中感应电流为5I，当S2断开，而S1、S3闭合时，可判断 A．闭合回路中感应电流为4I B．闭合回路中感应电流为7I C．无法确定上下两部分磁场的面积比值关系 D．上下两部分磁场的面积之比为3∶25‎ ‎8．如右图所示，一直导体棒质量为m、长为l、电阻为r，其两端放在位于水平面内间距也为l的光滑平行导轨上，并与之接触良好，棒左侧两导轨之间连接一可控的负载电阻（图中未画出），导轨置于匀强磁场中，磁场的磁感应强度大小为B，方向垂直与导轨所在平面，开始时，给导体棒一个平行于导轨的初速度v0，在棒的运动速度由v0减小至v1的过程中，通过控制负载电阻使棒中的电流强度I保持不变，导体棒一直在磁场中运动，若不计导轨电阻，则下述判断和计算结果正确的是 （ ）‎ A．导体棒做匀减速运动 B．在此过程中导体棒上感应电动势的平均值为 C．在此过程中负载电阻上消耗的平均功率为 D．因为负载电阻的值不能确定，所以上述结论都不对 ‎10．一个闭合回路由两部分组成，如右图所示，右侧是电阻为r的圆形导线；置于竖直方向均匀变化的磁场B1中，左侧是光滑的倾角为θ的平行导轨，宽度为d，其电阻不计。磁感应强度为B2的匀强磁场垂直导轨平面向上，且只分布在左侧，一个质量为m、电阻为R的导体棒此时恰好能静止在导轨上，分析下述判断不正确的是 （ ）‎ A．圆形线圈中的磁场，可以方向向上均匀增强，也可以方向向下均匀减弱 B．导体棒a、b受到的安培力大小为mgsinθ C．回路中的感应电流为 D．圆形导线中的电热功率为 ‎16．（14分）如下图（a）所示，间距为l、电阻不计的光滑导轨固定在倾角为θ的斜面上。在区域I内有方向垂直于斜面的匀强磁场，磁感应强度为B；在区域Ⅱ内有垂直于斜面向下的匀强磁场，其磁感应强度Bt的大小随时间t变化的规律如下图（b）所示。t=0时刻在轨道上端的金属细棒ab从如图位置由静止开始沿导轨下滑，同时下端的另一金属细棒cd在位于区域I内的导轨上由静止释放。在ab棒运动到区域Ⅱ的下边界EF处之前，cd棒始终静止不动，两棒均与导轨接触良好。已知cd棒的质量为m、电阻为R，ab棒的质量、‎ 答案与解析 ‎6．【答案】BD【解析】当S1、S2闭合，S3断开时，有；同理，当S2、S3闭合，S1断开时有，当S1、S3闭合，S2断开时有。又R1∶R2∶R3＝1∶2∶3，设R1、R2、R3的电阻分别为R、2R、3R，又根据磁场的分布知E3＝E1＋E2，联系以上各式解得I3＝7I。且有E1＝＝＝3IR，E2＝＝＝25IR，则上下两部分磁场的面积之比为3∶25。‎ ‎8．【答案】AB【解析】因为通过控制负载电阻使棒中的电流强度I保持不变，由F安=BIl 恒定，又由于导体棒在水平方向不受其它力的作用，所以导体棒做匀减速运动，选项A正确；在导体棒的速度从v0减小至v1的过程中，平均速度为，导体棒中的平均感应电动势为，故选项B也正确；导体棒中消耗的功率为，所以负载电阻上消耗的平均功率为，故选项CD都不正确，所以正确选项为AB。‎ ‎11．【答案】（1）；（2）‎ ‎【解析】（1）U型框向右运动时，NQ边相当于电源，产生的感应电动势（1分）[‎ U型框连同方框构成的闭合电路的总电阻为（1分）闭合电路的总电流为（1分）‎ NQ边受到的安培力为即拉动型框使它以速度v0垂直NQ边向右匀速运动的拉力为（1分）‎ ‎（2）根据闭合电路欧姆定律可知，bd两端的电势差为：（2分）‎ 而，（1分）故（2分）‎ ‎（3）裸导线最终只能静止于O点，故其动能全部转化为焦耳热，即（1分）‎ 因为导轨与ab构成等腰三角形，三边电阻总是相等的，所以三边产生的热量总是相等的。即有（2分）‎ ‎16．【答案】（1）通过cd棒的电流方向d→c，区域I内磁场方向为垂直于斜面向上 （2）‎ ‎（3）3l （4）4mglsinθ ‎【解析】（1）通过cd棒的电流方向 d→c （1分）区域I内磁场方向为垂直于斜面向上（1分）‎