【物理】2020届一轮复习人教版第十三单元电磁感应第一节　法拉第电磁感应定律　楞次定律　自感和涡流学案

【物理】2020届一轮复习人教版第十三单元电磁感应第一节　法拉第电磁感应定律　楞次定律　自感和涡流学案

第十三单元知识内容考试要求考题统计命题分析2016/102017/042017/112018/042018/11电磁感应现象b选考试题中电磁感应现象与力的平衡条件、牛顿运动定律、动能定理、能量守恒定律、闭合电路欧姆定律、动量定理、动量守恒定律等知识相结合，涉及受力分析、运动分析、能量分析、动量分析、电路分析、磁场问题分析、图象应用等方面。在近两年浙江选考中均在计算题中出现，并与动量结合，难度较大。楞次定律c22法拉第电磁感应定律d2222222322电磁感应现象的两类情况b互感和自感b涡流、电磁阻尼和电磁驱动b第一节　法拉第电磁感应定律　楞次定律　自感和涡流考点一电磁感应现象、楞次定律1．感应电流的产生条件(1)表述一：闭合电路的一部分导体在磁场内做切割磁感线运动。(2)表述二：穿过闭合电路的磁通量发生变化。2．电磁感应现象的实质：产生感应电动势。3．感应电流的方向(1)楞次定律：感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。(2)右手定则：磁感线穿入掌心；拇指指向导线运动方向；四指指向感应电流方向。4．判断电磁感应现象是否发生的一般流程5．楞次定律中“阻碍”的含义 [验备考能力]1.(2018·浙江省桐庐中学月考)法拉第最初发现“电磁感应现象”实验情景如图。某同学利用该原理和器材探究“磁生电”，在正确操作的情况下，得到符合实验事实的选项是(　　)A．闭合开关瞬间，电流计指针无偏转B．闭合开关稳定后，电流计指针有偏转C．通电状态下，断开与电池组相连线圈的瞬间，电流计指针无偏转D．将绕线的铁环换成木环后，闭合或断开开关瞬间，电流计指针有偏转解析：选D　闭合开关瞬间，与电源相连线圈中电流从无到有，与电流计相连线圈中磁通量增加，产生感应电流，电流计指针有偏转，故A项错误。闭合开关稳定后，与电源相连线圈中电流不变，与电流计相连线圈中磁通量不变，不产生感应电流，电流计指针无偏转，故B项错误。通电状态下，断开与电池组相连线圈的瞬间，与电源相连线圈中电流从有到无，与电流计相连线圈中磁通量减小，产生感应电流，电流计指针有偏转，故C项错误。将绕线的铁环换成木环后，闭合或断开开关瞬间，与电源相连线圈中电流发生变化，与电流计相连线圈中磁通量发生变化，产生感应电流，电流计指针有偏转，故D项正确。2．在赤道附近有一竖直向下的匀强电场，在此区域内有一根沿东西方向放置的直导体棒，由水平位置自静止落下，不计空气阻力，则导体棒两端落地的先后关系是(　　)A．东端先落地　　　　　　　B．西端先落地C．两端同时落地D．无法确定 解析：选A　赤道附近地磁场的方向均为水平由南指向北，导体棒竖直向下进入正交的电场与磁场区域后，做切割磁感线运动，根据右手定则，感应电动势的方向由西端指向东端，即东端相当于电源的正极带正电，西端相当于电源的负极带负电；在电场E中，东端的正电荷受向下的电场力，西端的负电荷受向上的电场力，因此东端先着地；故A正确。3．[多选](2018·温州模拟)如图所示，磁场垂直于纸面，磁感应强度在竖直方向均匀分布，水平方向非均匀分布。一铜制圆环用丝线悬挂于O点，将圆环拉至位置a后无初速释放，在圆环从a摆向b的过程中(　　)A．感应电流方向先逆时针后顺时针再逆时针B．感应电流的方向一直是逆时针C．安培力方向始终与速度方向相反D．安培力方向始终沿水平方向解析：选AD　圆环从位置a无初速释放，在到达磁场分界线之前，穿过圆环向里的磁感线条数增加，根据楞次定律可知，圆环内感应电流的方向为逆时针，圆环经过磁场分界线之时，穿过圆环向里的磁感线条数减少，根据楞次定律可知，圆环内感应电流的方向为顺时针；圆环通过磁场分界线之后，穿过圆环向外的磁感线条数减少，根据楞次定律可知，圆环内感应电流的方向为逆时针；因磁场在竖直方向分布均匀，圆环所受竖直方向的安培力平衡，故总的安培力沿水平方向。综上所述，正确选项为A、D。4.如图，一条形磁铁用线悬挂于O点，在O点的正下方固定放置一水平的金属圆环l。现使磁铁沿竖直平面来回摆动，则(　　)A．在一个周期内，圆环中感应电流方向改变二次B．磁铁始终受到感应电流磁场的斥力作用C．磁铁所受感应电流磁场的作用力有时是阻力，有时是动力D．磁铁所受感应电流磁场的作用力始终是阻力解析：选D　在一个周期之内，穿过圆环的磁通量先增大，后减小，再增大，最后又减小，穿过圆环磁场方向不变，磁通量变化趋势改变，感应电流方向发生改变，因此在一个周期内，感应电流方向改变4次，故A错误；根据楞次定律可知，磁铁靠近圆环时受到斥力作用，远离圆环时受到引力作用，故B错误；由楞次定律可知，感应电流总是阻碍磁铁的相对运动，感应电流对磁铁的作用力总是阻力，故D正确，C错误。 考点二法拉第电磁感应定律一、法拉第电磁感应定律1．感应电动势(1)感应电动势：在电磁感应现象中产生的电动势。(2)产生条件：穿过回路的磁通量发生改变，与电路是否闭合无关。(3)方向判断：感应电动势的方向用楞次定律或右手定则判断。2．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)公式：E＝n，其中n为线圈匝数。(3)感应电流与感应电动势的关系：遵循闭合电路欧姆定律，即I＝。二、电磁感应现象的两类情况1．导体垂直切割磁感线时，感应电动势可用E＝Blv求出，式中l为导体切割磁感线的有效长度。导体切割磁感线运动速度v和磁感线方向夹角为θ时，则E＝Blvsinθ。2．导体棒在磁场中转动时，导体棒以端点为轴，在匀强磁场中垂直于磁感线方向匀速转动产生的感应电动势E＝Blv＝Bωl2(平均速度等于中点位置的线速度lω)。[研考题考法]　如图所示，固定于水平桌面上的金属框架cdef处在竖直向下的匀强磁场中，金属棒ab搁在框架上，可无摩擦滑动。此时adeb构成一个边长为l的正方形，棒的电阻为r，其余部分电阻不计。开始时磁感应强度为B0。(1)若从t＝0时刻起，磁感应强度均匀增大，每秒增量为k，同时保持棒静止。求棒中的感应电流。在图上标出感应电流的方向；(2)在上述(1)情况中，棒始终保持静止，当t＝t1s末时需加的垂直于棒的水平拉力为多少？(3)若从t＝0时刻起，磁感应强度逐渐减小，当棒以恒定速度v向右做匀速运动时，可使棒中不产生感应电流，则磁感应强度应怎样随时间变化？(写出B与t的关系式)[解题指导](1)电磁感应现象中产生的电流在磁场中要受到力的作用，这样安培力就作为平衡或动力学问题中的一个力参与作用，问题就转化为一般的平衡或动力学问题。(2)闭合回路的面积不断变大但回路磁通量不变，只能是磁感应强度B不断减小。　　　　 [解析]　(1)据题意＝k，在磁场均匀变化时，回路中产生的电动势为E＝＝·S＝kl2，由闭合电路欧姆定律知，感应电流为I＝＝。由楞次定律，判定感应电流为逆时针方向，图略。(2)t＝t1s末棒静止，水平方向受拉力F外和安培力F安，F外＝F安＝BIl，又B＝B0＋kt1，故F外＝(B0＋kt1)。(3)因为不产生感应电流，由法拉第电磁感应定律E＝，知ΔΦ＝0，也就是回路内总磁通量不变，即B0l2＝Bl(l＋vt)，解得B＝。[答案]　(1)，电流为逆时针方向(2)(B0＋kt1)　(3)B＝　如图甲所示，发光竹蜻蜓是一种常见的儿童玩具，它在飞起时能够持续发光。某同学对竹蜻蜓的电路作如下简化，如图乙所示，半径为L的导电圆环绕垂直于圆环平面、通过圆心O的金属轴O1O2以角速度ω逆时针匀速转动(俯视)，圆环上接有电阻均为r的三根金属辐条OP、OQ、OR，辐条互成120°角。在圆环左半部分张角也为120°角的范围内(两条虚线之间)分布着垂直圆环平面向下磁感应强度为B的匀强磁场，在转轴O1O2与圆环的边缘之间通过电刷M、N与一个LED灯相连(假设LED灯电阻为r)。其他电阻不计，从辐条OP进入磁场开始计时。(1)在辐条OP转过120°的过程中，辐条OP两端的电势哪端高？OP两端电压U是多大？(2)求OP转过120°的过程中通过LED灯的电流和整个装置消耗的电能；(3)为使LED灯发光时更亮，在装置设计上可采取哪些改进措施？(请写出两条措施)[解题指导] 导体棒绕端点旋转切割时其速度可以等效为中点速度；对电路分析处理是本题的一个难点，分析时注意圆环没有电阻，故可以认为是一个电势相等的点，这样OP、OQ、OR和LED四者是并联的，而OP、OQ、OR三者则轮流充当电源。　　　　[解析]　(1)由右手定则可知辐条OP的O端电势高辐条OP进入磁场匀速转动时有E＝BL＝BL2ω则U＝E＝BL2ω。(2)流过LED灯的电流是I＝＝整个装置消耗的电能Q＝··＝。(3)增大角速度、增大磁感应强度、增加导电圆环的直径和辐条的长度、减小辐条的电阻和LED灯的电阻。[答案]　(1)O端　BL2ω　(2)　(3)见解析[验备考能力]1.(2018·浙江上虞中学期中)如图所示，水平放置的光滑平行金属导轨上有一质量为m的金属棒ab。导轨的一端连接电阻R，其他电阻均不计，磁感应强度为B的匀强磁场垂直于导轨平面向下，金属棒ab在一水平恒力F作用下由静止开始向右运动。则(　　)A．随着ab运动速度的增大，其加速度也增大B．外力F对ab做的功等于电路中产生的电能C．当ab做匀速运动时，外力F做功的功率等于电路中的电功率D．无论ab做何种运动，它克服安培力做的功都大于电路中产生的电能解析：选C　金属棒所受的安培力为：FA＝BIL＝，a＝，速度增大，安培力增大，则加速度减小，故A错误。根据能量守恒知，外力F对金属棒ab做的功等于电路中产生的电能以及ab棒的动能，故B错误。当ab棒匀速运动时，外力做的功全部转化为电路中的电能，则外力F做功的功率等于电路中的电功率，故C正确。根据功能关系知，无论ab做何种运动，克服安培力做的功都等于电路中产生的电能，故D错误。2.如图所示，有两个相邻的有界匀强磁场区域，磁感应强度的大小均为B，磁场方向相反，且与纸面垂直。两个磁场区域在x轴方向宽度均为l，在y轴方向足够宽。现有一个菱形导线框abcd，ac长为2l ，从图示位置开始向右匀速穿过磁场区域。若以逆时针方向为电流的正方向，线框中感应电流i与线框移动距离x的关系图象中正确的是(　　)解析：选C　在线框进入左侧磁场区域的过程中，穿过线框的磁通量增加，磁场垂直纸面向里，根据楞次定律可判断，线框中产生逆时针方向的电流，所以B错误；当位移x＝l的时候，线框切割磁感线的有效长度最大，产生的感应电动势最大，感应电流最大为I0，然后开始减小。当线框在两侧磁场区域中切割的有效长度相等时，感应电流减小为零，然后开始反向增大，当x＝2l时，磁通量减小为零，感应电动势增大到最大，感应电流为－2I0，所以A、D错误，C正确。3．(2018·金华十校联考)某种磁缓冲装置可简化为如图所示的模型：宽度为L的金属框架竖直固定在绝缘地面上，框架底部有高度为H、方向垂直于框架平面向里，磁感应强度为B的匀强磁场区域。框架的上端接有一个电子元件，其阻值为R。质量为m、电阻为r的金属棒ab与框架始终接触良好无摩擦，且保持水平。将金属棒ab从与磁场区域上方距离为h处由静止释放，金属棒沿框架向下运动，落地前已达到稳定速度。不计金属框架的电阻，重力加速度为g。求：(1)金属棒进入磁场瞬间，流过金属棒的电流大小和方向？(2)从释放金属棒到落地整个过程中电子元件的发热量为多少？(3)求导体在磁场中运动的时间？解析：(1)金属棒进入磁场前做自由落体运动由v2－v02＝2ax可得金属棒进入磁场瞬间速度为：v1＝，由E＝BLv1，I＝，解得I＝。由右手定则可知流过金属棒的电流方向为a→b。(2)金属棒落地前处于平衡状态：BIL＝mgv2＝系统总发热量为：Q总＝mg(H＋h)－mv22 电子元件发热量为：Q＝Q总＝－。(3)金属棒下落过程中由动量定理得mgt－BILt＝mv2－mv1，下落过程中通金属棒的电荷量Q电量＝It＝得：t＝＝＋－。答案：(1)，方向a→b(2)－(3)＋－4.(2018·宁波六校联考)如图所示，两根平行金属导轨MN、PQ相距d＝1.0m，两导轨及它们所在平面与水平面的夹角均为α＝30°，导轨上端跨接一阻值R＝1.6Ω的定值电阻，导轨电阻不计。整个装置处于垂直两导轨所在平面且向上的匀强磁场中，磁感应强度大小B＝1.0T。一根长度等于两导轨间距的金属棒ef垂直于两导轨放置(处于静止)，且与导轨保持良好接触，金属棒ef的质量m1＝0.1kg、电阻r＝0.4Ω，到导轨最底端的距离s1＝3.75m。另一根质量m2＝0.05kg的绝缘棒gh，从导轨最底端以速度v0＝10m/s沿两导轨上滑并与金属棒ef发生正碰(碰撞时间极短)，碰后金属棒ef沿两导轨上滑s2＝0.2m后再次静止，此过程中电阻R产生的焦耳热Q＝0.2J。已知两棒(ef和gh)与导轨间的动摩擦因数均为μ＝，取g＝10m/s2，求：(1)绝缘棒gh在与金属棒ef碰前瞬间的速率v；(2)两棒碰后，安培力对金属棒ef做的功W以及碰后瞬间金属棒ef的加速度a的大小；(3)金属棒ef在导轨上运动的时间t。解析：(1)绝缘棒gh从导轨最底端向上滑动的过程中，由动能定理有：－μm2gs1cosα－m2gs1sinα＝m2v2－m2v02，解得v＝5m/s。 (2)由功能关系可知，金属棒ef克服安培力做的功等于回路中产生的总焦耳热，即有：W＝Q总，而Q总＝Q，解得W＝0.25J，设碰后瞬间金属棒ef的速率为v1，回路中产生的感应电动势为E，感应电流为I，安培力为F，有E＝Bdv1，I＝，F＝BId，在金属棒ef上滑过程中，由动能定理有－W－μm1gs2cosα－m1gs2sinα＝0－m1v12，解得v1＝3m/s，在两棒碰后瞬间，由牛顿第二定律有μm1gcosα＋m1gsinα＋F＝m1a，解得a＝25m/s2。(3)金属棒ef在导轨上运动的整个过程中，设安培力的冲量为I安，沿导轨向上为正方向，由动量定理有－I安－μm1gtcosα－m1gtsinα＝0－m1v1，又I安＝Bdt，其中＝，由法拉第电磁感应定律有＝，其中ΔΦ＝Bds2，解得t＝0.2s。答案：(1)5m/s　(2)0.25J　25m/s2　(3)0.2s 考点三自感、涡流、电磁阻尼和电磁驱动一、自感自感现象的四大特点(1)自感电动势总是阻碍导体中原电流的变化。(2)通过线圈中的电流不能发生突变，只能缓慢变化。(3)电流稳定时，自感线圈就相当于普通导体。(4)线圈的自感系数越大，自感现象越明显，自感电动势只是延缓了过程的进行，但它不能使过程停止，更不能使过程反向。二、涡流(1)涡流是整块导体发生的电磁感应现象，同样遵循法拉第电磁感应定律。(2)磁场变化越快，导体的横截面积S越大，导体材料的电阻率越小，形成的涡流就越大。三、电磁阻尼与电磁驱动的比较电磁阻尼：当导体在磁场中运动时，如导体中出现涡流，即感应电流，感应电流会受到安培力作用，安培力的作用总是阻碍导体的运动，这种现象叫做电磁阻尼。电磁驱动：如果磁场相对于导体运动，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，这种作用就是电磁驱动。从能量转化的角度看，电磁阻尼是利用电磁感应原理是使机械能转化为电能从而使其尽快静止或平衡。电磁驱动正好相反是利用电磁感应原理是使电能转化成机械能(如磁悬浮列车)，两者均可用楞次定理解释(阻碍磁通量的变化)。[验备考能力]1．(2018·杭州五校联考)如图所示电路中，P、Q两灯相同，带铁芯的线圈L与Q灯串联，则(　　)A．S接通瞬间，P立即发光，Q逐渐亮起来B．S接通瞬间，P、Q同时发光C．S接通瞬间，Q立即发光，P逐渐亮起来D．S接通瞬间，P、Q均逐渐亮起来 解析：选A　S接通瞬间，由于L的自感作用，Q逐渐亮起来，P立即发光。稳定后两灯亮度相同，A正确、B、C、D错误。2.[多选](2018·宁波检测)如图所示，在线圈上端放置一盛有冷水的金属杯，现接通交流电源，过了几分钟，杯内的水沸腾起来。若要缩短上述加热时间，下列措施可行的有(　　)A．增加线圈的匝数B．提高交流电源的频率C．将金属杯换为瓷杯D．取走线圈中的铁芯解析：选AB　该装置的工作原理是，线圈内变化的电流产生变化的磁场，从而使金属杯内产生涡流把电能转化为内能，使杯内的水升温。交流电源的频率一定时，线圈产生的磁场的磁感应强度最大值Bm越大，杯内磁通量变化就越快，产生的涡流就越大，增加线圈的匝数会使线圈产生的磁场Bm增大，而取走线圈中的铁芯会使线圈产生的磁场Bm减小，故A对、D错；交流电源的频率增大，杯内磁通量变化加快，产生的涡流增大，故B正确；瓷杯为绝缘材料，不能产生涡流，故C错。3.如图所示，A、B是两个完全相同的灯泡，D是理想二极管，L是带铁芯的线圈，其直流电阻忽略不计。下列说法正确的是(　　)A．S闭合瞬间，B先亮A后亮B．S闭合瞬间，A先亮B后亮C．电路稳定后，在S断开瞬间，B闪亮一下，然后逐渐熄灭D．电路稳定后，在S断开瞬间，B立即熄灭解析：选D　S闭合瞬间线圈相当于断路，二极管为正向电压，故电流可通过灯泡A、B，即A、B灯泡同时亮，故A、B错误。因线圈的电阻为零，则当电路稳定后，灯泡A被短路而熄灭，当开关S断开瞬间B立刻熄灭，线圈中的电流也不能反向通过二极管，则灯泡A仍是熄灭的，故C错误，D正确。4.(2018·丽水模拟)如图所示，在光滑绝缘水平面上，有一铝质圆形金属球以一定的初速度通过有界匀强磁场，则从球开始进入磁场到完全穿出磁场过程中(磁场宽度大于金属球的直径)，小球(　　)A．整个过程匀速B．进入磁场过程中球做减速运动，穿出过程做加速运动C．整个过程都做匀减速运动D．穿出时的速度一定小于初速度解析：选D　小球在进入和穿出磁场时都有涡流产生，要受到阻力，即电磁阻尼作用，所以穿出时的速度一定小于初速度。 5.(2018·金华检测)如图所示，蹄形磁铁的两极间，放置一个线圈abcd，磁铁和线圈都可以绕OO′转动，磁铁如图所示方向转动时，线圈的运动情况是(　　)A．俯视，线圈顺时针转动，转速与磁铁相同B．俯视，线圈逆时针转动，转速与磁铁相同C．线圈与磁铁转动方向相同，但转速小于磁铁转速D．线圈静止不动解析：选C　本题“原因”是磁铁有相对线圈的运动，“效果”便是线圈要阻碍两者的相对运动，但线圈阻止不了磁铁的运动，线圈只好跟着磁铁同向转动，但转速小于磁铁转速，如果二者转速相同，就没有相对运动，线圈就不会转动，故选项C正确。