2018-2019學(xué)年高中物理 第一章 電磁感應(yīng) 習(xí)題課2 電磁感應(yīng)的綜合應(yīng)用學(xué)案 教科版選修3-2.doc
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習(xí)題課2 電磁感應(yīng)的綜合應(yīng)用 [學(xué)習(xí)目標(biāo)] 1.應(yīng)用楞次定律判斷感應(yīng)電流的方向． 2.綜合應(yīng)用楞次定律和法拉第電磁感應(yīng)定律解決電磁感應(yīng)中的圖像問(wèn)題． 3.掌握電磁感應(yīng)中動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的分析方法，能用能量觀點(diǎn)分析和解決電磁感應(yīng)問(wèn)題． [合 作 探 究攻 重 難] 利用“結(jié)論法”判斷感應(yīng)電流的方向 1.“增反減同”法 感應(yīng)電流的磁場(chǎng)，總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量(原磁場(chǎng)磁通量)的變化． (1)當(dāng)原磁場(chǎng)磁通量增加時(shí)，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向相反． (2)當(dāng)原磁場(chǎng)磁通量減少時(shí)，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向相同． 口訣記為“增反減同”． 2．“來(lái)拒去留”法 由于磁場(chǎng)與導(dǎo)體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電流與磁場(chǎng)間有力的作用，這種力的作用會(huì)“阻礙”相對(duì)運(yùn)動(dòng)．口訣記為“來(lái)拒去留”． 3．“增縮減擴(kuò)”法 就閉合電路的面積而言，致使電路的面積有收縮或擴(kuò)張的趨勢(shì)．收縮或擴(kuò)張是為了阻礙電路原磁通量的變化．若穿過(guò)閉合電路的磁通量增加時(shí)，面積有收縮趨勢(shì)；若穿過(guò)閉合電路的磁通量減少時(shí)，面積有擴(kuò)張趨勢(shì)．口訣為“增縮減擴(kuò)”． 說(shuō)明：此法只適用于回路中只有一個(gè)方向的磁感線的情況． 4．“增反減同”法 自感線圈總是阻礙引起感應(yīng)電流的原電流的變化： (1)當(dāng)原電流增大時(shí)，自感電流的方向與原電流方向相反． (2)當(dāng)原電流減小時(shí)，自感電流的方向與原電流的方向相同．口訣記為“增反減同”． 如圖1所示，一水平放置的矩形閉合線圈abcd在細(xì)長(zhǎng)磁鐵的N極附近豎直下落，保持bc邊在紙外，ad邊在紙內(nèi)，由圖中位置Ⅰ經(jīng)過(guò)位置Ⅱ到位置Ⅲ，位置Ⅰ和位置Ⅲ都很接近位置Ⅱ，這個(gè)過(guò)程中線圈的感應(yīng)電流( ) 圖1 A．沿abcd流動(dòng) B．沿dcba流動(dòng) C．先沿abcd流動(dòng)，后沿dcba流動(dòng) D．先沿dcba流動(dòng)，后沿abcd流動(dòng) A [由條形磁鐵的磁場(chǎng)分布可知，線圈在位置Ⅱ時(shí)穿過(guò)閉合線圈的磁通量最小為零，線圈從位置Ⅰ到位置Ⅱ，從下向上穿過(guò)線圈的磁通量在減少，線圈從位置Ⅱ到位置Ⅲ，從上向下穿過(guò)線圈的磁通量在增加，根據(jù)楞次定律可知感應(yīng)電流的方向是abcd.] 楞次定律的使用步驟 [針對(duì)訓(xùn)練] 1.如圖2所示，當(dāng)磁鐵突然向銅環(huán)運(yùn)動(dòng)時(shí)，銅環(huán)的運(yùn)動(dòng)情況是 ( ) 圖2 A．向右擺動(dòng) B．向左擺動(dòng) C．靜止 D．無(wú)法判定 A [當(dāng)磁鐵突然向銅環(huán)運(yùn)動(dòng)時(shí)，穿過(guò)銅環(huán)的磁通量增加，為阻礙磁通量的增加，銅環(huán)遠(yuǎn)離磁鐵向右運(yùn)動(dòng)．] 電磁感應(yīng)中的圖像問(wèn)題 1.問(wèn)題類(lèi)型 (1)由給定的電磁感應(yīng)過(guò)程選出或畫(huà)出正確的圖像． (2)由給定的圖像分析電磁感應(yīng)過(guò)程，求解相應(yīng)的物理量． 2．圖像類(lèi)型 (1)各物理量隨時(shí)間t變化的圖像，即Bt圖像、Φt圖像、Et圖像和It圖像． (2)導(dǎo)體切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，還涉及感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E和感應(yīng)電流I隨導(dǎo)體位移變化的圖像，即Ex圖像和Ix圖像． 3．解決此類(lèi)問(wèn)題需要熟練掌握的規(guī)律：安培定則、左手定則、楞次定律、右手定則、法拉第電磁感應(yīng)定律、歐姆定律等． 將一段導(dǎo)線繞成圖3甲所示的閉合回路，并固定在紙面內(nèi)，回路的ab邊置于垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)Ⅰ中．回路的圓環(huán)區(qū)域內(nèi)有垂直紙面的磁場(chǎng)Ⅱ，以向里為磁場(chǎng)Ⅱ的正方向，其磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間t變化的曲線如圖3乙所示．用F表示ab邊受到的安培力，以水平向右為F的正方向，能正確反映F隨時(shí)間t變化的圖像是( ) 甲 乙 圖3 A B C D 思路點(diǎn)撥：①本類(lèi)題目線圈面積不變而磁場(chǎng)發(fā)生變化，可根據(jù)E＝nS判斷E的大小及變化．②為B－t圖像的斜率，且斜率正、負(fù)變化時(shí)對(duì)應(yīng)電流的方向發(fā)生變化． B [由題圖乙可知0～時(shí)間內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間線性變化，即＝k(k是一個(gè)常數(shù))，圓環(huán)的面積S不變，由E＝＝＝kS，可知圓環(huán)中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小不變，則回路中的感應(yīng)電流大小不變，ab邊受到的安培力大小不變，從而可排除選項(xiàng)C、D；0～時(shí)間內(nèi)，由楞次定律可判斷出流過(guò)ab邊的電流方向?yàn)橛蒪至a，結(jié)合左手定則可判斷出ab邊受到的安培力的方向向左，為負(fù)值，故選項(xiàng)A錯(cuò)誤，B正確．] 解決電磁感應(yīng)圖像問(wèn)題的基本步驟 1．已知圖像，根據(jù)物理規(guī)律求解相應(yīng)的物理量． 2．根據(jù)所提供的物理情景作出相應(yīng)的圖像． [針對(duì)訓(xùn)練] 2．如圖4所示，在x≤0的區(qū)域內(nèi)存在勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的方向垂直于xOy平面(紙面)向里．具有一定電阻的矩形線框abcd位于xOy平面內(nèi)，線框的ab邊與y軸重合．令線框從t＝0時(shí)刻起由靜止開(kāi)始沿x軸正方向做勻加速運(yùn)動(dòng)，則線框中的感應(yīng)電流i(取逆時(shí)針?lè)较虻碾娏鳛檎?隨時(shí)間t的變化圖像正確的是 ( ) 圖4 A B C D D [因?yàn)榫€框做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，所以感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為E＝BLv＝BLat，因此感應(yīng)電流大小與時(shí)間成正比，由楞次定律可知電流方向?yàn)轫槙r(shí)針．] 電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題 通過(guò)導(dǎo)體的感應(yīng)電流在磁場(chǎng)中將受到安培力的作用，電磁感應(yīng)問(wèn)題往往和力學(xué)問(wèn)題聯(lián)系在一起． 電磁感應(yīng)中力學(xué)問(wèn)題，常常以導(dǎo)體在滑軌上運(yùn)動(dòng)的形式出現(xiàn)，要對(duì)其受力情況、運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析．根據(jù)導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)情況，解決問(wèn)題的具體思路如下： 1．導(dǎo)體靜止或勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的力電綜合問(wèn)題分析思路 2．導(dǎo)體變加速運(yùn)動(dòng)過(guò)程的力電綜合問(wèn)題分析思路 (1)做好受力分析和運(yùn)動(dòng)情況分析． 導(dǎo)體受力分析→速度變化→產(chǎn)生變化的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)→產(chǎn)生變化的感應(yīng)電流→導(dǎo)體受變化的安培力作用→合外力變化→加速度變化→速度變化……最終加速度等于零，導(dǎo)體達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)． (2)導(dǎo)體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)往往是這類(lèi)問(wèn)題的突破口，進(jìn)而列出平衡方程解決問(wèn)題． 如圖5所示，AB、CD是兩根足夠長(zhǎng)的固定平行金屬導(dǎo)軌，兩導(dǎo)軌間的距離為L(zhǎng)，導(dǎo)軌平面與水平面的夾角為θ，在整個(gè)導(dǎo)軌平面內(nèi)都有垂直于導(dǎo)軌平面斜向上方的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，在導(dǎo)軌的A、C端連接一個(gè)阻值為R的電阻．一根質(zhì)量為m、垂直于導(dǎo)軌放置的金屬棒ab，從靜止開(kāi)始沿導(dǎo)軌下滑，求此過(guò)程中ab棒的最大速度．已知ab棒與導(dǎo)軌間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，導(dǎo)軌和ab棒的電阻都不計(jì)． 圖5 思路點(diǎn)撥：①ab棒沿導(dǎo)軌下滑的過(guò)程中受四個(gè)力作用，即重力mg、支持力N、摩擦力f和安培力F安．②ab棒由靜止開(kāi)始下滑后，各相關(guān)量的變化情況為v↑→E↑→I↑→F安↑→a↓(↑表示增大，↓表示減小)，所以這是一個(gè)變加速過(guò)程，當(dāng)加速度減小到a＝0時(shí)，其速度增大到最大值vm，此時(shí)ab棒處于平衡狀態(tài)，以后將以vm勻速下滑． 【解析】 ab棒下滑時(shí)切割磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律得E＝BLv ① 根據(jù)閉合電路歐姆定律，閉合電路ACba中產(chǎn)生的感應(yīng)電流I＝ ② 根據(jù)右手定則可判定感應(yīng)電流的方向?yàn)閍ACba，由左手定則可知ab棒受到的安培力F安的方向沿導(dǎo)軌向上，其大小為F安＝BIL ③ 由①②③式可得F安＝ 對(duì)ab棒進(jìn)行受力分析，如圖所示，由牛頓第二定律得 mgsin θ－f－F安＝ma 又f＝μN(yùn)，N＝mgcos θ，F(xiàn)安＝ 則mgsin θ－μmgcos θ－＝ma ab棒做加速度逐漸減小的變加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)a＝0時(shí)速度達(dá)到最大，此時(shí)有 mgsin θ－μmgcos θ－＝0 ④ 由④式可解得vm＝. 【答案】 vm＝ 電磁感應(yīng)現(xiàn)象中涉及到具有收尾速度的力學(xué)問(wèn)題時(shí)，關(guān)鍵是做好受力情況和運(yùn)動(dòng)情況的動(dòng)態(tài)分析： 周而復(fù)始地循環(huán)，達(dá)到最終狀態(tài)時(shí)，加速度等于零，導(dǎo)體達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即平衡狀態(tài)，根據(jù)平衡條件建立方程，所求解的收尾速度也是導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)的最大速度． [針對(duì)訓(xùn)練] 3．(多選)如圖6所示，MN和PQ是兩根互相平行豎直放置的光滑金屬導(dǎo)軌，已知導(dǎo)軌足夠長(zhǎng)，且電阻不計(jì)．a(chǎn)b是一根與導(dǎo)軌垂直而且始終與導(dǎo)軌接觸良好的金屬桿．開(kāi)始時(shí)，將開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)，讓桿ab由靜止開(kāi)始自由下落，一段時(shí)間后，再將S閉合，若從S閉合開(kāi)始計(jì)時(shí)，則金屬桿ab的速度v隨時(shí)間t變化的圖像可能是( ) 圖6 A B C D ACD [設(shè)ab桿的有效長(zhǎng)度為l，S閉合時(shí)，若>mg，桿先減速再勻速，D項(xiàng)有可能；若＝mg，桿勻速運(yùn)動(dòng)，A項(xiàng)有可能；若下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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