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文档介绍
【物理】2019届一轮复习人教版微型专题 电磁感应中的动力学及能量问题学案
微型专题3 电磁感应中的动力学及能量问题 [考试大纲] 1.掌握电磁感应中动力学问题的分析方法.2.理解电磁感应过程中能量的转化情况,能用能量的观点分析和解决电磁感应问题. 一、电磁感应中的动力学问题 1.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是: (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)用闭合电路欧姆定律求回路中感应电流的大小和方向. (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. 2.两种状态处理 (1)导体处于平衡状态——静止或匀速直线运动状态. 处理方法:根据平衡条件——合力等于零列式分析. (2)导体处于非平衡状态——加速度不为零. 处理方法:根据牛顿第二定律进行动态分析或结合功能关系分析. 例1 如图1所示,空间存在B=0.5 T、方向竖直向下的匀强磁场,MN、PQ是水平放置的平行长直导轨,其间距L=0.2 m,电阻R=0.3 Ω接在导轨一端,ab是跨接在导轨上质量m=0.1 kg、接入电路部分的电阻r=0.1 Ω的导体棒,已知导体棒和导轨间的动摩擦因数为0.2.从零时刻开始,对ab棒施加一个大小为F=0.45 N、方向水平向左的恒定拉力,使其从静止开始沿导轨滑动,滑动过程中棒始终保持与导轨垂直且接触良好,求:(g=10 m/s2) 图1 (1)导体棒所能达到的最大速度; (2)试定性画出导体棒运动的速度-时间图象. 答案 (1)10 m/s (2)见解析图 解析 (1)导体棒切割磁感线运动,产生的感应电动势: E=BLv① 回路中的感应电流I=② 导体棒受到的安培力F安=BIL③ 导体棒运动过程中受到拉力F、安培力F安和摩擦力Ff的作用,根据牛顿第二定律: F-μmg-F安=ma④ 由①②③④得:F-μmg-=ma⑤ 由⑤可知,随着速度的增大,安培力增大,加速度a减小,当加速度a减小到0时,速度达到最大. 此时有F-μmg-=0⑥ 可得:vm==10 m/s⑦ (2)由(1)中分析可知,导体棒运动的速度-时间图象如图所示. 电磁感应动力学问题中,要把握好受力情况、运动情况的动态分析. 基本思路是:导体受外力运动产生感应电动势产生感应电流导体受安培力―→合外力变化加速度变化―→速度变化―→感应电动势变化……→a=0,v达到最大值. 例2 如图2甲所示,两根足够长的直金属导轨MN、PQ平行放置在倾角为θ的绝缘斜面上,两导轨间距为L,M、P两点间接有阻值为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,整套装置处于磁感应强度为B的匀强磁场中,磁场方向垂直于斜面向下,导轨和金属杆的电阻可忽略,让ab杆沿导轨由静止开始下滑,导轨和金属杆接触良好,不计它们之间的摩擦.(重力加速度为g) 图2 (1)由b向a方向看到的装置如图乙所示,请在此图中画出ab杆下滑过程中某时刻的受力示意图; (2)在加速下滑过程中,当ab杆的速度大小为v时,求此时ab杆中的电流及其加速度的大小; (3)求在下滑过程中,ab杆可以达到的速度最大值. 答案 (1)见解析图 (2) gsin θ- (3) 解析 (1)如图所示,ab杆受重力mg,方向竖直向下;支持力FN,方向垂直于斜面向上;安培力F安,方向沿导轨向上. (2)当ab杆的速度大小为v时,感应电动势E=BLv, 此时电路中的电流I== ab杆受到安培力F安=BIL= 根据牛顿第二定律,有 mgsin θ-F安=mgsin θ-=ma 则a=gsin θ-. (3)当a=0时,ab杆有最大速度,此时mgsin θ=,解得:vm=. 电磁感应中力学问题的解题技巧: (1)受力分析时,要把立体图转换为平面图,同时标明电流方向及磁场B的方向,以便准确地画出安培力的方向. (2)要特别注意安培力的大小和方向都有可能变化. (3)根据牛顿第二定律分析a的变化情况,以求出稳定状态的速度. (4)列出稳定状态下的受力平衡方程往往是解题的突破口. 二、电磁感应中的能量问题 1.电磁感应中能量的转化 电磁感应过程的实质是不同形式的能量相互转化的过程,其能量转化方式为: 2.求解电磁感应现象中能量问题的一般思路 (1)确定回路,分清电源和外电路. (2)分析清楚有哪些力做功,明确有哪些形式的能量发生了转化.如: ①有滑动摩擦力做功,必有内能产生; ②有重力做功,重力势能必然发生变化; ③克服安培力做功,必然有其他形式的能转化为电能,并且克服安培力做多少功,就产生多少电能;如果安培力做正功,就是电能转化为其他形式的能. (3)列有关能量的关系式. 例3 如图3所示,MN和PQ是电阻不计的平行金属导轨,其间距为L,导轨弯曲部分光滑,平直部分粗糙,二者平滑连接.右端接一个阻值为R的定值电阻.平直部分导轨左边区域有宽度为d、方向竖直向上、磁感应强度大小为B的匀强磁场.质量为m、长度为d、接入电路的电阻也为R的金属棒从高度为h处静止释放,到达磁场右边界处恰好停止.已知金属棒与平直部分导轨间的动摩擦因数为μ,金属棒与导轨间接触良好.则金属棒穿过磁场区域的过程中( ) 图3 A.流过金属棒的最大电流为 B.通过金属棒的电荷量为 C.克服安培力所做的功为mgh D.金属棒产生的焦耳热为mg(h-μd) 答案 D 解析 金属棒沿弯曲部分下滑过程中,机械能守恒,由机械能守恒定律得:mgh=mv2,金属棒到达平直部分时的速度v=,金属棒到达平直部分后做减速运动,刚到达平直部分时的速度最大,最大感应电动势E=BLv,最大感应电流I==,故A错误; 通过金属棒的电荷量q=Δt==,故B错误; 金属棒在整个运动过程中,由动能定理得:mgh-W安-μmgd=0-0,克服安培力做功:W安=mgh-μmgd,故C错误; 克服安培力做的功转化为焦耳热,定值电阻与金属棒的电阻相等,通过它们的电流相等,则金属棒产生的焦耳热:Q′=Q=W安=mg(h-μd),故D正确. 电磁感应中焦耳热的计算技巧: (1)电流恒定时,根据焦耳定律求解,即Q=I2Rt. (2)感应电流变化,可用以下方法分析: ①利用动能定理,求出克服安培力做的功W安,产生的焦耳热等于克服安培力做的功,即Q=W安. ②利用能量守恒,即感应电流产生的焦耳热等于其他形式能量的减少量. 1.(电磁感应中的动力学问题)如图4所示,在一匀强磁场中有一U形导线框abcd,线框处于水平面内,磁场与线框平面垂直,R为一电阻,ef为垂直于ab的一根导体杆,它可在ab、cd上无摩擦地滑动.杆ef及线框中导线的电阻都可忽略不计.开始时,给ef一个向右的初速度,则( ) 图4 A.ef将减速向右运动,但不是匀减速 B.ef将匀减速向右运动,最后停止 C.ef将匀速向右运动 D.ef将往返运动 答案 A 解析 ef向右运动,切割磁感线,产生感应电动势和感应电流,会受到向左的安培力而做减速运动,直到停止,由F=BIl==ma知,ef做的是加速度减小的减速运动,故A正确. 2.(电磁感应中的动力学问题)如图5所示,MN和PQ是两根互相平行竖直放置的光滑金属导轨,已知导轨足够长,且电阻不计,ab是一根与导轨垂直且始终与导轨接触良好的金属杆,开始时,将开关S断开,让杆ab由静止开始自由下落,过段时间后,再将S闭合,若从S闭合开始计时,则金属杆ab的速度v随时间t变化的图象不可能是下图中的( ) 图5 答案 B 解析 S闭合时,若金属杆受到的安培力>mg,ab杆先减速再匀速,D项有可能;若=mg,ab杆匀速运动,A项有可能;若<mg,ab杆先加速再匀速,C项有可能;由于v变化,mg-=ma中a不恒定,故B项不可能. 3.(电磁感应中的能量问题)(多选)如图6所示,两根光滑的金属导轨,平行放置在倾角为θ的斜面上,导轨的左端接有电阻R,导轨自身的电阻可忽略不计.斜面处在一匀强磁场中,磁场方向垂直于斜面向上.质量为m、电阻可以忽略不计的金属棒ab,在沿着斜面与棒垂直的恒力F作用下沿导轨匀速上滑,且上升的高度为h,在这一过程中( ) 图6 A.作用于金属棒上的各个力的合力所做的功等于零 B.作用于金属棒上的各个力的合力所做的功等于mgh与电阻R上产生的焦耳热之和 C.恒力F与安培力的合力所做的功等于零 D.恒力F与重力的合力所做的功等于电阻R上产生的焦耳热 答案 AD 解析 金属棒匀速上滑的过程中,对金属棒受力分析可知,有三个力对金属棒做功,恒力F做正功,重力做负功,安培力阻碍相对运动,沿斜面向下,做负功.匀速运动时,金属棒所受合力为零,故合力做功为零,A正确;克服安培力做多少功就有多少其他形式的能转化为电路中的电能,电能又等于R上产生的焦耳热,故外力F与重力的合力所做的功等于电阻R上产生的焦耳热,D正确. 4.(电磁感应中的力电综合问题)两根平行的金属导轨相距L1=1 m,与水平方向成θ=30°角倾斜放置,如图7甲所示,其上端连接阻值R=1.5 Ω的电阻,另有一根质量m=0.2 kg,电阻r=0.5 Ω的金属棒ab放在两根导轨上,距离上端L2=4 m,棒与导轨垂直并接触良好,导轨电阻不计,因有摩擦力作用,金属棒处于静止状态.现在垂直导轨面加上从零均匀增强的磁场,磁感应强度的变化规律如图乙所示,已知在t=2 s时棒与导轨间的摩擦力刚好为零(g取10 m/s2),则在棒发生滑动之前: 图7 (1)t=2 s时,磁感应强度B为多大? (2)假如t=5 s时棒刚要发生滑动,则棒与导轨间最大静摩擦力多大? (3)从t=0到t=3 s内,电阻R上产生的电热有多少? 答案 (1)1 T (2)1.5 N (3)4.5 J 解析 (1)当t=2 s时,对导体棒由平衡条件得 mgsin θ=B2IL1① 由闭合电路欧姆定律得 I=② 由法拉第电磁感应定律得 E=L1L2=L1L2③ 联立①②③式解得B2=1 T (2)当t=5 s时,对棒由平衡条件得 B5IL1=mgsin θ+Ffmax 由题图乙及第(1)问可得t=5 s时,B5=2.5 T 联立解得Ffmax=1.5 N (3)由焦耳定律得:QR=I2Rt 代入数据解得:QR=4.5 J 一、选择题 考点一 电磁感应中的动力学问题 1.如图1所示,质量为m的金属环用不可伸长的细线悬挂起来,金属环下半部分处于水平且与环面垂直的匀强磁场中,从某时刻开始,磁感应强度均匀减小,则在磁感应强度均匀减小的过程中,关于线的拉力大小,下列说法中正确的是( ) 图1 A.大于环重力mg,并逐渐减小 B.始终等于环重力mg C.小于环重力mg,并保持恒定 D.大于环重力mg,并保持恒定 答案 A 解析 根据楞次定律知圆环中感应电流的方向为顺时针方向,再由左手定则判断可知圆环所受安培力竖直向下,对圆环受力分析,根据受力平衡有FT=mg+F安,得FT>mg,F安=BIL,根据法拉第电磁感应定律知,I===S,可知I为恒定电流,联立上式可知B减小,F安减小,则由FT=mg+F安知FT减小,选项A正确. 2.(多选)用一段横截面半径为r、电阻率为ρ、密度为d的均匀导体材料做成一个半径为R(r≪R)的圆环.圆环竖直向下落入如图2所示的径向磁场中,圆环的圆心始终在N极的轴线上,圆环所在位置的磁感应强度大小均为B.圆环在加速下滑过程中某一时刻的速度为v,忽略其他影响,则( ) 图2 A.此时在圆环中产生了(俯视)顺时针方向的感应电流 B.圆环因受到了向下的安培力而加速下落 C.此时圆环的加速度a= D.如果径向磁场足够长,则圆环的最大速度vm= 答案 AD 解析 由右手定则可以判断感应电流的方向为(俯视)顺时针方向,可知选项A正确;由左手定则可以判断,圆环受到的安培力向上,阻碍圆环的运动,选项B错误;圆环垂直切割磁感线,产生的感应电动势E=Blv=B·2πR·v,圆环的电阻R电=,则圆环中的感应电流I==,圆环所受的安培力F安=BI·2πR,圆环的加速度a=,m=d·2πR·πr2,则a=g-,选项C错误;当重力等于安培力时圆环速度达到最大,此时a=0,可得vm=,选项D正确. 3.如图3所示在光滑水平桌面上有一边长为L、电阻为R的正方形导线框;在导线框右侧有一宽度为d(d>L)的条形匀强磁场区域,磁场的边界与导线框的一边平行,磁场方向竖直向下.导线框以某一初速度向右运动,t=0时导线框的右边恰与磁场的左边界重合,随后导线框进入并通过磁场区域.下列v-t图象中,能正确描述上述过程的是( ) 图3 答案 D 解析 导线框进入磁场的过程中,线框受到向左的安培力作用,根据E=BLv、I=、F安=BIL得F安=,随着v的减小,安培力F安减小,导线框做加速度逐渐减小的减速运动.整个导线框在磁场中运动时,无感应电流,导线框做匀速运动,导线框离开磁场的过程中,根据F安=,导线框做加速度逐渐减小的减速运动,所以选项D正确. 4.(多选)如图4所示,有两根和水平方向成α(α<90°)角的光滑平行的金属轨道,上端接有可变电阻R,下端足够长,空间有垂直于轨道平面向上的匀强磁场,磁感应强度为B,一根质量为m、电阻不计的金属杆从轨道上由静止滑下.经过足够长的时间后,金属杆的速度会趋近于一个最大速度vm,则( ) 图4 A.如果B增大,vm将变大 B.如果α变大(仍小于90°),vm将变大 C.如果R变大,vm将变大 D.如果m变小,vm将变大 答案 BC 解析 金属杆由静止开始滑下的过程中,金属杆就相当于一个电源,与电阻R构成一个闭合回路,其受力情况如图所示,根据牛顿第二定律得: mgsin α-=ma 所以金属杆由静止开始做加速度减小的加速运动,当a=0时达到最大速度vm,即mgsin α=,可得:vm=,故由此式知选项B、C正确. 考点二 电磁感应中的能量问题 5.如图5所示,纸面内有一矩形导体闭合线框abcd,ab边长大于bc边长,置于垂直纸面向里、边界为MN的匀强磁场外,线框两次匀速地完全进入磁场,两次速度大小相同,方向均垂直于MN.第一次ab边平行于MN进入磁场,线框上产生的热量为Q1,通过线框导体横截面的电荷量为q1;第二次bc边平行于MN进入磁场,线框上产生的热量为Q2,通过线框导体横截面的电荷量为q2,则( ) 图5 A.Q1>Q2,q1=q2 B.Q1>Q2,q1>q2 C.Q1=Q2,q1=q2 D.Q1=Q2,q1>q2 答案 A 解析 根据功能关系知,线框上产生的热量等于克服安培力做的功,即Q1=W1=F1lbc=lbc=lab 同理Q2=lbc,又lab>lbc,故Q1>Q2; 因q=t=t==, 故q1=q2.因此A正确. 6.如图6所示,竖直放置的两根平行金属导轨之间接有定值电阻R, 质量不能忽略的金属棒与两导轨始终保持垂直并良好接触且无摩擦,棒与导轨的电阻均不计,整个装置放在匀强磁场中,磁场方向与导轨平面垂直,棒在竖直向上的恒力F作用下加速上升的一段时间内,力F做的功与安培力做的功的代数和等于( ) 图6 A.棒的机械能增加量 B.棒的动能增加量 C.棒的重力势能增加量 D.电阻R上产生的热量 答案 A 解析 棒加速上升时受到重力、拉力F及安培力.根据功能关系可知,力F与安培力做功的代数和等于棒的机械能的增加量,A正确. 7.(多选)(2016·南京市学情调研卷)如图7所示,两根足够长的直金属导轨平行放置在倾角为θ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(图中未画出).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,已处于匀速运动.重力加速度为g.则( ) 图7 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 θ C.杆ab由静止下滑距离s过程中,安培力做功为mgssin θ D.杆ab由静止下滑距离s过程中,电阻R产生的热量为mgssin θ 答案 AB 解析 由平衡条件可知匀速运动时杆ab受到的重力沿斜面的分力等于安培力,即FA=mgsin θ,mgsin θ=,所以有v=,即A、B正确;因为安培力逐渐增大,是个变力,所以C错误;由能量守恒可知mg·ssin θ=mv2+Q,所以D错误. 8.水平放置的光滑平行导轨上放置一根长为L、质量为m且与导轨垂直并接触良好的导体棒 ab,ab处在磁感应强度大小为B、方向如图8所示的匀强磁场中,导轨的一端接一阻值为R的电阻,导轨及导体棒电阻不计.现使ab在水平恒力F作用下由静止沿垂直于磁场的方向运动,当通过的位移为x时,ab达到最大速度vm.此时撤去外力,最后ab静止在导轨上.在ab运动的整个过程中,下列说法正确的是( ) 图8 A.撤去外力后,ab做匀减速运动 B.合力对ab做的功为Fx C.R上释放的热量为Fx+mvm2 D.R上释放的热量为Fx 答案 D 解析 撤去外力后,导体棒水平方向上只受安培力作用,而F安=,F安随v的变化而变化,故导体棒做加速度变化的减速运动,A错;对整个过程由动能定理得W合=ΔEk=0,B错;由能量守恒定律知,恒力F做的功等于整个回路产生的电能,电能又转化为R上释放的热量,即Q=Fx,C错,D对. 二、非选择题 9.(电磁感应中的动力学问题)(2017·扬州市高二上学期调研)如图9甲所示,阻值不计的光滑金属导轨在竖直面上平行固定放置,间距d为0.5 m,下端通过导线与阻值RL为4 Ω的小灯泡L连接,在矩形区域CDFE内有水平向外的匀强磁场,磁感应强度B随时间变化的关系如图乙所示,CE长为2 m.在t=0时刻,接入电路的电阻R为1 Ω的金属棒以某一初速度从AB位置紧贴导轨向下运动,当金属棒从AB位置运动到EF位置过程中,小灯泡的亮度没有发生变化,g取10 m/s2.求: 图9 (1)通过小灯泡的电流的大小; (2)金属棒的质量; (3)金属棒通过磁场区域所用的时间. 答案 (1)0.4 A (2)0.008 kg (3)0.2 s 解析 (1)金属棒未进入磁场时,E1===0.5×2× V=2 V 又R总=RL+R=(4+1) Ω=5 Ω 所以IL== A=0.4 A (2)因灯泡亮度不变,故0.2 s末金属棒进入磁场时刚好匀速运动 所以I=IL=0.4 A 棒所受安培力F安=BId=0.08 N 对金属棒有mg=F安 所以金属棒的质量m=0.008 kg (3)金属棒在磁场中运动时,E2=E1=2 V 又E2=Bdv 解得:v==10 m/s 金属棒从CD运动到EF过程的时间为t2==0.2 s 10.(电磁感应中的能量问题)如图10甲所示,不计电阻的平行金属导轨与水平面成37°角放置,导轨间距为L=1 m,上端接有电阻R=3 Ω,虚线OO′下方是垂直于导轨平面的匀强磁场.现将质量m=0.1 kg、接入电路的电阻r=1 Ω的金属杆ab从OO′上方某处垂直导轨由静止释放,杆下滑过程中始终与导轨垂直并保持良好接触,杆下滑过程中的v-t图象如图乙所示.(sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,g取10 m/s2)求: 图10 (1)磁感应强度大小B; (2)杆在磁场中下滑0.1 s过程中电阻R上产生的热量. 答案 (1)2 T (2) J 解析 (1)由题图乙得 0~0.1 s内,杆的加速度 a== m/s2=5 m/s2 0~0.1 s内,由牛顿第二定律有mgsin 37°-Ff=ma 代入数据得Ff=0.1 N 0.1 s后杆匀速运动,有mgsin 37°-Ff-F安=0 而F安=BIL=BL= 解得B=2 T (2)方法一:杆在磁场中下滑0.1 s的过程中,回路中的电流恒定,有I==0.25 A, 电阻R上产生的热量 QR=I2Rt= J. 方法二:金属杆ab在磁场中匀速运动的位移 x=vt=0.05 m 金属杆ab下落的高度 h=xsin θ=0.03 m 由能量守恒有mgh=Q+Ffx 电阻R产生的热量 QR=Q=(mgh-Ffx)= J. 11.(电磁感应中的力电综合问题)如图11所示,足够长的U形导体框架的宽度L=0.5 m,电阻可忽略不计,其所在平面与水平面成θ=37°角.有一磁感应强度B=0.8 T的匀强磁场,方向垂直于导体框架平面.一根质量m=0.4 kg、电阻R=1 Ω的导体棒MN垂直跨放在U形框架上,某时刻起将导体棒由静止释放.已知导体棒与框架间的动摩擦因数μ=0.5.(sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,g取10 m/s2) 图11 (1)求导体棒刚开始下滑时的加速度大小; (2)求导体棒运动过程中的最大速度; (3)从导体棒开始下滑到速度刚达到最大时的过程中,通过导体棒横截面的电荷量Q=4 C,求导体棒在此过程中消耗的电能. 答案 (1)2 m/s2 (2)5 m/s (3)3 J 解析 (1)导体棒刚开始下滑时,其受力情况如图甲,则mgsin θ-μmgcos θ=ma 解得a=2 m/s2 (2)当导体棒匀速下滑时其受力情况如图乙,设匀速下滑的速度为v,则在平行斜面上有mgsinθ-Ff-F安=0 安培力F安=BIL=BL= 联立解得v==5 m/s (3)通过导体棒横截面的电荷量Q=Δt = 设导体棒下滑速度刚好为v时的位移为x,则ΔΦ=BxL 全程由动能定理,得mgx·sin θ-W安-μmgcos θ·x=mv2,其中W安为克服安培力做的功. 联立解得W安=3 J 克服安培力做的功等于导体棒在此过程中消耗的电能,即QR=3 J.查看更多