高考物理人教版一轮复习课件

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法拉第电磁感应定律 [想一想] 如图9-2-1所示,A、B两个闭合线 圈用同样的导线制成,匝数都为10匝,半 径RA=2RB,图示区域内有磁感应强度均匀减小的匀 强磁场,则A、B线圈中产生的感应电动势之比和线圈 中的感应电流之比分别为多少? 图9-2-1 [记一记] 1.感应电动势 (1)定义:在 中产生的电动势。 (2)产生条件:穿过回路的 发生改变,与电路是 否闭合 。 (3)方向判断:感应电动势的方向用 或 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 成正比。 (2)公式: ,其中n为 。 电磁感应现象 无关 楞次定律 右手定则 磁通量的变化率 线圈匝数 磁通量 [试一试] 1.穿过某线圈的磁通量随时间的变 化的关系如图9-2-2所示,在 线圈内产生感应电动势最大值 的时间是 (  ) 图9-2-2 A.0~2 s  B.2~4 s C.4~6 s D.6~8 s 答案:C  导体切割磁感线时的感应电动势计算 [想一想] 如图9-2-3所示,当导体棒在垂直 于磁场的平面内,其一端为轴, 以角速 度ω匀速转动时,产生的感应电动势为多少? 图9-2-3 切割方式 电动势表达式 说明 垂直切割 E=_______ ①导体棒与磁场方向垂直 ②磁场为匀强磁场 倾斜切割 E=________ 其中θ为v与 B的夹角 旋转切割 (以一端为轴) E=________ [记一记] Blv Blvsin θ 2.如图9-2-4所示,在竖直向下的匀强 磁场中,将一水平放置的金属棒ab以 水平速度v0抛出。设在整个过程中, 棒的取向不变且不计空气阻力,则在 金属棒运动过程中产生的感应电动势 大小变化情况是 (  ) A.越来越大      B.越来越小 C.保持不变 D.无法判断 解析:金属棒水平抛出后,在垂直于磁场方向上的速度 不变,由E=BLv可知,感应电动势也不变。C项正确。 图9-2-4 答案:C  [试一试] 自感 涡流 如图9-2-5所示,开关S闭合且回路 中电流达到稳定时,小灯泡A能正常发光, L为自感线圈,则当开关S闭合或断开时,小灯泡的亮暗 变化情况是怎样的? [提示] 开关闭合时,自感电动势阻碍电流的增大, 所以灯慢慢变亮;开关断开时,自感线圈的电流从有变 为零,线圈将产生自感电动势,但由于线圈L与灯A不 能构成闭合回路,所以灯立即熄灭。 [想一想] 图9-2-5 [记一记] 1.互感现象 两个互相靠近的线圈,当一个线圈中的电流变 化时,它所产生的变化的 会在另一个线圈中 产生_____________的现象。 2.自感现象 (1)定义:由于通过导体自身的 而 产生的电磁感应现象。 (2)自感电动势: ①定义:在 中产生的感应电动势。 磁场 感应电动势 电流发生变化 自感现象 ②表达式:E= 。 ③自感系数L: 相关因素:与线圈的大小、形状、 以及是否 有 有关。 单位:亨利(H),1 mH= H,1 μH=10-6 H。 3.涡流 当线圈中的电流发生变化时,在它附近的任何导体 中都会产生 ,这种电流像水的旋涡,所以叫涡 流。 圈数 铁芯 10-3 感应电流 (1)电磁阻尼:当导体在磁场中运动时,感应电流会 使导体受到 ,安培力的方向总是 导体的 运动。 (2)电磁驱动:如果磁场相对于导体转动,在导体中 会产生 使导体受到安培力的作用,安培力 使导体运动起来。 交流感应电动机就是利用 的原理工作的。 安培力 阻碍 感应电流 电磁驱动 [试一试] 3.在图9-2-6所示的电路中,两个灵敏电流表G1 和 G2的零点都在刻度盘中央,当电流从“+”接线柱 流入时,指针向右摆;电流从“-”接线柱流入时, 指针向左摆。在电路接通后再断开的瞬间,下列说 法中符合实际情况的是 (   ) 图9-2-6 A.G1表指针向左摆,G2表指针向右摆 B.G1表指针向右摆,G2表指针向左摆 C.G1、G2表的指针都向左摆 D.G1、G2表的指针都向右摆 解析:电路接通后线圈中电流方向向右,当电路断开时, 线圈中电流减小,产生与原方向相同的自感电动势,与 G2和电阻组成闭合回路,所以G1中电流方向向右,G2 中电流方向向左,即G1指针向右摆,G2指针向左摆。B 项正确。 答案:B  法拉第电磁感应定律的应用 穿过某个面的 磁通量变化的 快慢 某段时间内穿 过某个面的磁 通量变化多少 某时刻穿过某 个面的磁感线 的条数 意义 磁通量的 变化量ΔΦ 磁通量Φ   物理量 项目   物理量 项目 大小 注意 磁通量Φ Φ=B·Scos θ 若有相反方 向磁场,磁 通量可能抵 消 磁通量的 变化量ΔΦ ΔΦ=Φ2-Φ1 ΔΦ=B·ΔS ΔΦ=S·ΔB 转过180°前后 穿过平面的磁 通量是一正一 负,ΔΦ=2BS, 而不是零 [例1] 如图9-2-7甲所示,一个电阻值为R,匝数 为n的圆形金属线圈与阻值为2R的电阻R1连接成闭合回 路。线圈的半径为r1。在线圈中半径为r2的圆形区域内 存在垂直于线圈平面向里的匀强磁场,磁感应强度B随 时间t变化的关系图线如图乙所示。图线与横、纵轴的截 距分别为t0和B0,导线的电阻不计。求0至t1时间内 图9-2-7 (1)通过电阻R1上的电流大小和方向; (2)通过电阻R1上的电荷量q及电阻R1上产生的热量。 [审题指导] 法拉第电磁感应定律的规范应用 (1)一般解题步骤: ①分析穿过闭合电路的磁场方向及磁通量的变化情 况; ②利用楞次定律确定感应电流的方向; ③灵活选择法拉第电磁感应定律的不同表达形式列 方程求解。 (2)应注意的问题: 导体切割磁感线产生感应电动势 1.导体平动切割磁感线 对于导体平动切割磁感线产生感应电动势的计算式E =Blv,应从以下几个方面理解和掌握。 (1)正交性 本公式是在一定条件下得出的,除了磁场是匀强磁 场,还需B、l、v三者相互垂直。实际问题中当它们不相 互垂直时,应取垂直的分量进行计算,公式可为E= Blvsin θ,θ为B与v方向间的夹角。 (3)瞬时性 若v为瞬时速度,则E为相应的瞬时感应电动势。 (4)有效性 公式中的l为有效切割长度,即导体与v垂直的方向 上的投影长度。图9-2-8中有效长度分别为: 图9-2-8 (5)相对性 E=Blv中的速度v是相对于磁场的速度,若磁场也运 动时,应注意速度间的相对关系。 图9-2-9 [例2] 在范围足够大,方向竖直向下的匀强磁场中, B=0.2 T,有一水平放置的光滑框架,宽度为L=0.4 m, 如图9-2-10所示,框架上放置一质量为0.05 kg、电阻 为1 Ω的金属杆cd,框架电阻不计。若杆cd以恒定加速度 a=2 m/s2,由静止开始做匀变速运动,求: 图9-2-10 (1)在5 s内平均感应电动势; (2)第5 s末回路中的电流; (3)第5 s末作用在杆cd上的水平外力。 [答案] (1)0.4 V (2)0.8 A (3)0.164 N 通电自感与断电自感的比较 L很大(有铁芯) A1、A2同规格, R=RL,L较大 器材 要求 电路图 断电自感通电自感 两种自感 比较项目 现象 在S闭合瞬间,灯A2立 即亮起来,灯A1逐渐变 亮,最终和A2一样亮 在开关S断开时, 灯A渐渐熄灭或闪 亮一下再熄灭 磁场能转化为电能电能转化为磁场能能量转化情况 S断开时,线圈L产生自感电 动势,阻碍了电流的减小,使 电流继续存在一段时间;灯A 中电流反向不会立即熄灭。若 RLIA,则A 灯熄灭前要闪亮一下。若 RL≥RA,原来的电流IL≤IA, 则灯A逐渐熄灭不再闪亮一下 由于开关闭合时,流 过电感线圈的电流迅 速增大,线圈产生自 感电动势,阻碍了电 流的增大,使流过灯 A1的电流比流过灯 A2的电流增加得慢 原因 断电自感通电自感 两种自感 比较项目 [例3] (2011·北京高考)某同学 为了验证断电自感现象,自己找来 带铁芯的线圈L、小灯泡A、开关S 和电池组E,用导线将它们连接成 如图9-2-11所示的电路。检查电路后,闭合开关S, 小灯泡发光;再断开开关S,小灯泡仅有不显著的延时 熄灭现象。虽经多次重复,仍未见老师演示时出现的小 灯泡闪亮现象,他冥思苦想找不出原因。你认为最有可 能造成小灯泡未闪亮的原因是 (  ) 图9-2-11 A.电源的内阻较大  B.小灯泡电阻偏大 C.线圈电阻偏大 D.线圈的自感系数较大 [解析] 闭合开关S,电路稳定灯泡正常发光时,如 果电感线圈L中的电阻比灯泡的电阻大,则电感线圈L中 的电流IL比灯泡A中的电流IA小,当开关S断开,则由于 自感现象,L和A 构成回路使L和A 中的电流从IL开始减 小,因此不可能看到小灯泡闪亮的现象,C项正确。 [答案] C [模型概述] 1.模型特点 “杆+导轨”模型是电磁感应问题高考命题的“基 本道具”,也是高考的热点,考查的知识点多,题目的 综合性强,物理情景富于变化,是我们复习中的难点。 匀强磁场与导轨垂直,磁感应强 度为B,棒ab长为L,质量为m, 初速度为零,拉力恒为F,水平导轨光滑,除 电阻R外,其他电阻不计 “杆+导轨”模型又分为“单杆”型和“双杆”型;导轨放 置方式可分为水平、竖直和倾斜;杆的运动状态可分为匀速 运动、匀变速运动、非匀变速运动或转动等;磁场的状态可 分为恒定不变、均匀变化和非均匀变化等等,情景复杂形式 多变。 2.模型分类 (1)单杆水平式 物理模型 动 态 分 析 I恒定电学特征 a=0 v恒定不变力学特征 匀速直线运动运动形式 收尾 状态 匀强磁场与导轨垂直,磁感应 强度为B,导轨间距L,导体 棒质量m,电阻R,导轨光滑,电阻不计 (2)单杆倾斜式 物理模型 动态分析 I恒定电学特征 力学特征 匀速直线运动运动形式 收尾 状态 [典例] (2012·广东高考)如图9-2-12所示,质量 为M的导体棒ab,垂直放在相距为l的平行光滑金属导轨 上,导轨平面与水平面的夹角为θ,并处于磁感应强度大 小为B、方向垂直于导轨平面向上的匀强磁场中,左侧 是水平放置、间距为d的平行金属板,R和Rx分别表示定 值电阻和滑动变阻器的阻值,不计其他电阻。 图9-2-12 (1)调节Rx=R,释放导体棒,当棒沿导轨匀速下滑 时,求通过棒的电流I及棒的速率v。 (2)改变Rx,待棒沿导轨再次匀速下滑后,将质量为 m、带电量为+q的微粒水平射入金属板间,若它能匀 速通过,求此时的Rx。 [题后悟道] 由于感应电流与导体切割磁感线运动的加 速度有着相互制约的关系,故导体一般不是做匀变速运动, 而是经历一个动态变化过程再趋于一个稳定状态。分析这一 动态过程进而确定最终状态是解决这类问题的关键。 分析电磁感应问题中导体运动状态的方法: (1)首先分析导体最初在磁场中的运动状态和受力情况; (2)其次分析由于运动状态变化,导体受到的安培力、合 力的变化情况; (3)再分析由于合力的变化,导体的加速度、速度又会怎 样变化,从而又引起感应电流、安培力、合力怎么变化; (4)最终明确导体所能达到的是什么样的稳定状态。 如图9-2-13所示,质量m1=0.1 kg, 电阻R1=0.3 Ω,长度l=0.4 m的导体棒ab 横放在U型金属框架上,框架质量m2=0.2 kg,放在绝 缘水平面上,与水平面间的动摩擦因数μ=0.2,相距0.4 m的MM′、NN′相互平行,电阻不计且足够长。电阻R2 =0.1 Ω的MN垂直于MM′。整个装置处于竖直向上的匀 强磁场中,磁感应强度B=0.5 T。垂直于ab施加F=2 N 的水平恒力,ab从静止开始无摩擦地运动,始终与MM′、 NN′保持良好接触。当ab运动到某处时,框架开始运动。 设框架与水平面间最大静摩擦力等于滑动摩擦力,g取 10 m/s2。 图9-2-13 (1)求框架开始运动时ab速度v的大小; (2)从ab开始运动到框架开始运动的过程中,MN上产生 的热量Q=0.1 J,求该过程ab位移x的大小。 解析:(1)ab对框架的压力 FN1=m1g① 框架受水平面的支持力 FN2=m2g+FN1② 依题意,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,则框架受到最 大静摩擦力 答案:(1)6 m/s (2)1.1 m [随堂巩固落实] 1.将闭合多匝线圈置于仅随时间变化的磁场中,线圈 平面与磁场方向垂直,关于线圈中产生的感应电动势 和感应电流,下列表述正确的是 (  ) A.感应电动势的大小与线圈的匝数无关 B.穿过线圈的磁通量越大,感应电动势越大 C.穿过线圈的磁通量变化越快,感应电动势越大 D.感应电流产生的磁场方向与原磁场方向始终相 同 答案:C  2.一矩形线框置于匀强磁场中,线框平面与磁场方向垂 直。先保持线框的面积不变,将磁感应强度在1 s时间内 均匀地增大到原来的两倍。接着保持增大后的磁感应强 度不变,在1 s时间内,再将线框的面积均匀地减小到原 来的一半。先后两个过程中,线框中感应电动势的比值 为 (  ) 答案:B  3.如图9-2-14所示,匀强磁场的方向垂 直于电路所在平面,导体棒ab与电路 接触良好。当导体棒ab在外力F作用 下从左向右做匀加速直线运动时, 若不计摩擦和导线的电阻,整个过程中,灯泡L未被烧 毁,电容器C未被击穿,则该过程中 (  ) A.感应电动势将变大 B.灯泡L的亮度变大 C.电容器C的上极板带负电 D.电容器两极板间的电场强度将减小 图9-2-14 答案:AB  4.(2013·苏州模拟)如图9-2-15(a)、(b)所示的电路中, 电阻R和自感线圈L的电阻值都很小,且小于灯A的电阻, 接通S,使电路达到稳定,灯泡A发光,则(  ) 图9-2-15 A.在电路(a)中,断开S后,A将逐渐变暗 B.在电路(a)中,断开S后,A将先变得更亮,然后 逐渐变暗 C.在电路(b)中,断开S后,A将逐渐变暗 D.在电路(b)中,断开S后,A将先变得更亮,然后逐渐 变暗 解析: (a)电路中,灯A和线圈L串联,电流相同,断开S 时,线圈上产生自感电动势,阻碍原电流的减小,通过 R、A形成回路,A将逐渐变暗。(b)电路中,电阻R和灯 A串联,灯A的电阻大于线圈L的电阻,电流则小于线圈 L中的电流,断开S时,电源不给灯A供电,而线圈产生 自感电动势阻碍电流的减小,通过A、R形成回路,灯A 中电流比原来大,变得更亮,然后逐渐变暗。所以选项 A、D正确。 答案:AD  5.如图9-2-16所示,金属杆ab放在光 滑的水平金属导轨上,与导轨组成 闭合矩形电路,长l1=0.8 m,宽l2= 0.5 m,回路总电阻R=0.2 Ω,回路 处在竖直方向的磁场中,金属杆用水平绳通过定滑轮连 接质量M=0.04 kg的木块,磁感应强度从B0=1 T开始 随时间均匀增加,5 s末木块将离开水平面,不计一切摩 擦,g取10 m/s2,求回路中的电流强度。 图9-2-16 答案:0.4 A (给有能力的学生加餐) 1.如图1所示,金属棒ab置于水平放 置的金属导体框架cdef上,棒ab 与框架接触良好。从某一时刻开 始,给这个空间施加一个斜向上的匀强磁场,并且磁场均 匀增加,ab棒仍静止,在磁场均匀增加的过程中,关于ab 棒受到的摩擦力,下列说法正确的是 (  ) A.摩擦力大小不变,方向向右 B.摩擦力变大,方向向右 C.摩擦力变大,方向向左 D.摩擦力变小,方向向左 图1 解析:由法拉第电磁感应定律,ab中产生的电流的 大小恒定,方向由b到a,由左手定则,ab受到的安 培力方向向左下方,F=BIL,由于B均匀变大,F变 大,F的水平分量Fx变大,静摩擦力Ff=Fx变大,方 向向右,B正确。 答案:B  2.如图2所示,在水平面内固定着U形光滑金属导轨, 轨道间距为50 cm,金属导体棒ab质量为0.1 kg,电阻为 0.2 Ω,横放在导轨上,电阻R的阻值是0.8 Ω(导轨其余 部分电阻不计)。现加上竖直向下的磁感应强度为0.2 T 的匀强磁场。用水平向右的恒力F=0.1 N拉动ab,使其 从静止开始运动,则 (  ) 图2 A.导体棒ab开始运动后,电阻R中的电流方向是从P流 向M B.导体棒ab运动的最大速度为10 m/s C.导体棒ab开始运动后,a、b两点的电势差逐渐增加 到1 V后保持不变 D.导体棒ab开始运动后任一时刻,F的功率总等于导 体棒ab和电阻R的发热功率之和 答案:B  3.(2012·青岛模拟)如图3甲所示,水平面上的平行导轨 MN、PQ上放着两根导体棒ab、cd,两棒中间用绝缘丝 线系住。开始时匀强磁场垂直于纸面向里,磁感应强度 B随时间t的变化如图乙所示,I和FT分别表示流过导体 棒中的电流和丝线的拉力(不计电流之间的相互作用力), 则在t0时刻 (  ) 图3 A.I=0,FT=0     B.I=0,FT≠0 C.I≠0,FT=0 D.I≠0,FT≠0 解析:t0时刻,磁场变化,磁通量变化,故I≠0;由于B =0,故ab、cd所受安培力均为零,丝线的拉力为零。C 项正确。 答案:C  4.如图4所示,三个相同的金属圆环内存在着不同的有 界匀强磁场,虚线表示环的某条直径,已知所有磁场的 磁感应强度随时间变化的关系都满足B=kt,磁场方向如 图4所示。测得A环内感应电流强度为I,则B环和C环内 感应电流强度分别为 (  ) 图4 A.IB=I、IC=0 B.IB=I、IC=2I C.IB=2I、IC=2I D.IB=2I、IC=0 答案:D  5.一线圈匝数为10匝,两接线端连一C=100 μF的电容 器,组成如图5甲所示的回路,回路所围面积S=0.1 m2, 取穿过线圈垂直于纸面向里的方向为磁场的正方向,穿 过回路的磁感应强度B随时间t的变化如图乙所示。则关 于电容器两极板上的电荷量大小及M、N两极板带电的正 负,下列说法中正确的是 (  ) 图5 A.带电荷量1.2×10-3 C,M极板带正电 B.带电荷量1.2×10-3 C,N极板带正电 C.带电荷量1.2×10-4 C,M极板带正电 D.带电荷量1.2×10-4 C,N极板带正电 答案:A  6.有一个匀强磁场边界是EF,在EF右侧无磁场,左侧 是匀强磁场区域,如图6甲所示。现有一个闭合的金属线 框以恒定速度从EF右侧水平进入匀强磁场区域。线框中 的电流随时间变化的i-t图象如图乙所示,则可能的线框 是图7中的 (  ) 图6 图7 答案:A  7.如图8所示的电路中,三个相同的 灯泡a、b、c和电感线圈L1、L2与 直流电源连接,电感线圈的电阻 忽略不计。开关S从闭合状态突然 断开时,下列判断正确的有 (  ) 图8 A.a先变亮,然后逐渐变暗 B.b先变亮,然后逐渐变暗 C.c先变亮,然后逐渐变暗 D.b、c都逐渐变暗 解析:a、b、c三个灯泡相同,设S闭合时通过三个灯泡 的电流均是I,则L1中的电流为2I,L2中的电流为I。在 S断开瞬间,L1中的电流由2I逐渐减小,L2的电流由I 逐渐减小,L1、L2中的产生的感应电流方向相同,故b、 c两灯的电流逐渐减小,即b、c两灯逐渐变暗,B、C错 误,D项正确;两个支路的电流汇集后为2I通过a灯,a 灯电流由2I反向减弱,故a灯先变亮再逐渐变暗,即A正 确。 答案:AD 
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