新教材2023_2024学年高中物理第2章电磁感应及其应用本章整合课件教科版选择性必修第二册

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第二章本章整合突破一　电磁感应的图像问题1.解决电磁感应图像问题的一般步骤(1)明确图像的种类,即是B-t图像、Φ-t图像,还是E-t图像、I-t图像、F-t图像、v-t图像、E-x图像、I-x图像等。(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、牛顿运动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)画图像或判断图像。2.电磁感应图像问题的两个常用分析方法(1)排除法:定性地分析每一个过程中物理量的变化(增大还是减小)、变化快慢(均匀变化还是非均匀变化),特别是物理量的正负,把握“三个关注”,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像作出分析和判断。注意过程或阶段的选取,一般进磁场或出磁场、磁通量最大或最小、有效切割长度最大或最小等是分段的关键点。【例1】 (多选)(2022河北卷)如图所示,两光滑导轨水平放置在竖直向下的匀强磁场中,一根导轨位于x轴上,另一根由ab、bc、cd三段直导轨组成,其中bc段与x轴平行,导轨左端接入一电阻R。导轨上一金属棒MN沿x轴正向以速度v0保持匀速运动,t=0时刻通过坐标原点O,金属棒始终与x轴垂直。设运动过程中通过电阻的电流强度为i,金属棒受到安培力的大小为F,金属棒克服安培力做功的功率为P,电阻两端的电压为U,导轨与金属棒接触良好,忽略导轨与金属棒的电阻。下列图像可能正确的是(　　)AC 解析 由于金属棒匀速沿x轴正方向运动,故电流方向一直不变,在0~ 时间内,设在零时刻金属棒切割磁感线的有效长度为l0,ab、cd与x轴的夹角为θ,金属棒运动的位移为x=v0t,则金属棒切割磁感线的有效长度l=v0ttan θ+l0,产生的感应电动势E=Blv0= ttan θ+Bl0v0,可知感应电动势从某一初始值开始随时间均匀增加,则感应电流也从某一初始值开始随时间均匀增加,设感应电流i1=I0+kt;在 时间内,金属棒切割磁感线的有效长度最大且保持不变,可知感应电流最大且保持不变,设为i2=Im;在 时间内,感应电动势从最大值均匀减小至某一值,则感应电流也从最大值均匀减小至某一值,设i3=Im-kt,由以上分析可知,A可能正确;由安培力F=Bil,可知安培力初始值不为零,B错误;由金属棒克服安培力做功的功率P=Fv0=Bilv0=Ei可知, 段图像应该为开口向上、不过原点的抛物线,C可能正确;由欧姆定律U=iR可知,电阻两端电压与电流大小成正比,故U-t图像应该与i-t图像相似,D错误。对点演练1 (多选)如图甲所示,闭合矩形导线框adcba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,adcba方向为电流的正方向,水平向左为安培力的正方向。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、bc边所受的安培力F随时间t变化的图像,正确的是(　　)BD解析 由图乙可知,0~1 s时间内,B增大,通过线框的磁通量增大,由楞次定律可知,感应电流沿adcba方向,感应电流是正的;1~3 s,B不变,磁通量不变,无感应电流;3~4 s,B减小,磁通量减小,由楞次定律可知,感应电流沿abcda方向,感应电流是负的,故A错误,B正确;由左手定则可知,在0~1 s内,bc边受到的安培力方向水平向左,是正的,1~3 s无感应电流,没有安培力,3~4 s时间内,bc边受到的安培力方向水平向右,是负的。由法拉第电磁感应定律可知,感应是定值,在各时间段内I是定值,bc边受到的安培力F=ILB,因I、L不变,B均匀变化,则安培力F均匀变化,故C错误,D正确。突破二　电磁感应的综合问题1.力学对象和电学对象的相互关系 2.求电荷量的三种方法(1)q=It(式中I为回路中的恒定电流,t为时间)。①由于导体棒匀速切割磁感线产生感应电动势而使得闭合回路中的电流恒定,根据电流定义式可知q=It。②闭合线圈中磁通量均匀增大或减小且回路中电阻保持不变,则电路中的电流I恒定,t时间内通过线圈横截面的电荷量q=It。(2) (其中R为回路电阻,ΔΦ为穿过闭合回路的磁通量变化量)。①闭合回路中的电阻R不变,并且只有磁通量的变化为电路提供电动势。②从表面来看,通过回路的磁通量与时间无关,但ΔΦ与时间有关,随时间而变化。(3)Δq=CBLΔv(式中C为电容器的电容,B为匀强磁场的磁感应强度,L为导体棒切割磁感线的长度,Δv为导体棒切割速度的变化量)。在匀强磁场中,电容器接在切割磁感线的导体棒两端,不计一切电阻,电容器两极板间电压等于导体棒切割磁感线产生的电动势E,通过电容器的电流 ,又E=BLv,则ΔU=BLΔv,可得Δq=CBLΔv。【例2】 如图所示,两平行光滑长直金属导轨水平放置,间距为L。abcd区域有匀强磁场,磁感应强度大小为B,方向竖直向上。初始时刻,磁场外的金属杆M以初速度v0向右运动,磁场内的金属杆N处于静止状态。两金属杆与导轨接触良好且运动过程中始终与导轨垂直。两杆的质量均为m,在导轨间的电阻均为R,感应电流产生的磁场及导轨的电阻忽略不计。(1)求金属杆M刚进入磁场时受到的安培力F的大小和方向;(2)若两金属杆在磁场内未相撞且金属杆N出磁场时的速度为 ,求:①金属杆N在磁场内运动过程中通过回路的电荷量q;②初始时刻金属杆N到ab的最小距离x。解析 (1)金属杆M以初速度v0向右刚进入磁场时,产生的动生电动势为E=BLv0对点演练2(2023浙江高二模拟)如图所示,光滑金属轨道abcd和a'b'c'd'平行放置于水平面上,间距为L=0.5 m,其中点b、c和b'、c'之间用光滑绝缘材料连接,bb'左侧某位置放置导体棒MN,电阻为R1=0.4 Ω,质量为m1=20 g,并被锁定;cc'右侧某位置放置导体棒PQ,电阻为R2=0.1 Ω,质量为m2=20 g,也被锁定,导体棒MN和PQ都与轨道垂直,整个水平轨道处于竖直向下磁感应强度B=2 T的匀强磁场中。半径r=40 cm的金属圆环,O点为圆环中心,也处于竖直向下磁感应强度B=2 T的匀强磁场中,电阻为R3=0.1 Ω的金属棒OA,在外力作用下,沿图示方向(俯视为顺时针)绕过O点的竖直轴以角速度ω=10 rad/s匀速转动,A端与金属圆环良好接触,金属圆环与导轨a'b'用导线连接,O点用导线与导轨ab连接。不计所有导轨、连接导线、金属环和接触的电阻。(1)求金属棒OA两端的电势差UOA和导体棒MN所受安培力的大小和方向。(2)若仅解除导体棒MN的锁定,导体棒MN获得v=2 m/s的速度通过绝缘区域进入cc'右侧的区域,此后不与导体棒PQ相撞,则导体棒MN进入cc'后产生的最大热量Q1和最后静止位置与cc'的距离x为多少?(3)若同时解除导体棒MN和PQ的锁定,导体棒MN获得v=2 m/s的速度通过绝缘区域进入cc'后的足够大区域,此后不与导体棒PQ相撞,经足够长时间后导体棒MN产生的热量Q2为多少?答案 (1)-1.28 V　3.2 N　方向水平向右　(2)0.032 J　0.02 m　(3)0.016 J解析 (1)根据法拉第电磁感应定律有金属棒OA两端的电势差为UOA=IR1=-1.28 V导体棒MN所受安培力的大小为F安=BIL=3.2 N方向:水平向右。