高中物理 | 電磁感應定律的綜合應用

2021-02-18 高中數學高中物理高中化學

法拉第電磁感應定律是電磁學的重點內容之一,其綜合了力、熱、靜電場、直流電路、磁場等許多內容,反映在以下幾個方面:

1、因導體在切割運動或電路中磁通量的變化,產生感應電流,使導體受到安培力的作用,從而直接影響到導體或線圈的運動。

2、以電磁感應現象為核心,綜合力學各種不同的規律(如機械能、動量、牛頓運動定律)等內容形成的綜合類問題。

電學部分思路:將產生感應電動勢的那部分電路等效為電源,如果在一個電路中切割磁感線的是幾部分但又互相聯繫,可等效成電源的串並聯,分析內外電路結構,應用閉合電路歐姆定律和部分電路歐姆定律理順電學量之間的關係。

力學部分思路:分析通電導體的受力情況及力的效果,應用牛頓定律、動量定理、動量守恆、動能定理、機械能守恆等規律理順力學量之間的關係。

3、電磁感應中的能量轉化問題

電磁感應過程實質是不同形式的能量轉化的過程,電磁感應過程中產生的感應電流在磁場中必定受到安培力作用。因此要維持安培力存在,必須有「外力」克服安培力做功。此過程中,其他形式的能轉化為電能。「外力」克服安培力做多少功,就有多少其他形式的能轉化為電能。當感應電流通過用電器時,電能又轉化為其他形式的能。

同理,安培力做功的過程,是電能轉化為其他形式的能的過程,安培力做多少功就有多少電能轉化為其他形式的能。

因此電能求解思路主要有三種:

① 利用克服安培力求解:電磁感應中產生的電能等於克服安培力所做的功。

② 利用能量守恆求解:開始的機械能總和與最後的機械能總和之差等於產生的電能。

③ 利用電路特徵來求解:通過電路中所產生的電能來計算。

4、電磁感應中的圖象問題

電磁感應中常涉及磁感應強度B、磁通量Φ、感應電動勢E和感應電流I隨時間t變化的圖象,即B—t圖象、Φ—t圖象、E—t圖象和I—t圖象。對於切割磁感線產生感應電動勢和感應電流的情況,還常涉及感應電動勢E和感應電流I隨線圈位移x變化的圖象,即E—x圖象和I—x圖象。

這些圖象問題大體上可分為兩類:

① 由給定的電磁感應過程選出或畫出正確的圖象。

② 由給定的有關圖象分析電磁感應過程,求解相應的物理量。

不管是何種類型,電磁感應中的圖象問題常需利用右手定則、楞次定律和法拉第電磁感應定律等規律分析解決。

例1、如圖所示,在一均勻磁場中有一U形導線框abcd,線框處於水平面內,磁場與線框平面垂直,R為一電阻,ef為垂直於ab的一根導體杆,它可在ab、cd上無摩擦地滑動。杆ef及線框中導線的電阻都可不計。開始時,給ef一個向右的初速度,則(    )

A. ef將減速向右運動,但不是勻減速

B. ef將勻減速向右運動,最後停止

C. ef將勻速向右運動

D. ef將往返運動

解析:給ef一個向右的初速度,則ef產生感應電動勢,迴路中產生感應電流。由楞次定律可以判斷,ef受到一個向左的安培力的作用而減速,隨著ef的速度減小,ef產生的感應電動勢減小,迴路的感應電流減小,安培力減小,因此可以判斷ef是做加速度逐漸減小的減速運動。因此可知選項A是正確的。

答案:A

 

例2、如圖甲所示,兩根足夠長的直金屬導軌MN、PQ平行放置在傾角為θ的絕緣斜面上,兩導軌間距為L。M、P兩點間接有阻值R的電阻。一根質量為m的均勻直金屬杆ab放在兩導軌上,並與導軌垂直,整套裝置處於磁感應強度為B的勻強磁場中,磁場方向的垂直斜面向下。導軌和金屬杆的電阻可忽略。讓ab杆沿導軌由靜止開始下滑,導軌和金屬杆接觸良好,不計它們之間的摩擦。

 

(1)由b向a方向看到的裝置如圖乙所示,請在此圖中畫出ab杆下滑過程中某時刻的受力示意圖;

(2)在加速下滑過程中,當ab杆的速度大小為v時,求此時ab杆中的電流及其加速度的大小;

(3)求在下滑過程中,ab杆可以達到的速度最大值。

解析:(1)重力mg,豎直向下;支撐力N,垂直斜面向上;安培力F,沿斜面向上。

(2)當ab杆速度為v時,感應電動勢E =Blv,此時電路中電流

ab杆受到安培力

根據牛頓運動定律,有

(3)當時,ab杆達到最大速度vm。

例3、兩根足夠長的固定的平行金屬導軌位於同一水平面內,兩導軌間的距離為l。導軌上面橫放著兩根導體棒ab和cd,構成矩形迴路,如圖所示。兩根導體棒的質量皆為m,電阻皆為R,迴路中其餘部分的電阻可不計。在整個導軌平面內都有豎直向上的勻強磁場,磁感應強度為B。設兩導體棒均可沿導軌無摩擦地滑行。開始時,棒cd靜止,棒ab有指向棒cd的初速度v0。若兩導體棒在運動中始終不接觸,求:

(1)在運動中產生的焦耳熱最多是多少?

(2)當ab棒的速度變為初速度的時,cd棒的加速度是多少?

解析:ab棒向cd棒運動時,兩棒和導軌構成的迴路面積變小,磁通量發生變化,於是產生感應電流。ab棒受到與運動方向相反的安培力作用做減速運動,cd棒則在安培力作用下做加速運動。在ab棒的速度大於cd棒的速度時,迴路總有感應電流,ab棒繼續減速,cd棒繼續加速。兩棒速度達到相同後,迴路面積保持不變,磁通量不變化,不產生感應電流,兩棒以相同的速度v做勻速運動。

(1)從初始至兩棒達到速度相同的過程中,兩棒總動量守恆,有

      ①

根據能量守恆,整個過程中產生的總熱量

   ②

(2)設ab棒的速度變為初速度的時,cd棒的速度為v′,則由動量守恆可知

    ③

此時迴路中的感應電動勢和感應電流分別為

   ④       

    ⑤

此時cd棒所受的安培力

     ⑥

cd棒的加速度

      ⑦

由以上各式,可得

    ⑧

例4、把一個矩形線圈從有理想邊界的勻強磁場中勻速拉出(如圖),第一次速度為v1,第二次速度為v2且v2=2v1,則兩種情況下拉力的功之比W1/W2=    ,拉力的功率之比P1/P2=       ,線圈中產生焦耳熱之比Q1/Q2=        。

解析:設線圈的ab邊長為L,bc邊長為L′,整個線圈的電阻為R,把ab邊拉出磁場時,cd邊以速度v勻速運動切割磁感線產生感應電動勢

其電流方向從c指向d,線圈中形成的感應電流

cd邊所受的安培力

為了維持線圈勻速運動,所需外力大小為

因此拉出線圈過程外力的功

外力的功率

線圈中產生的焦耳熱

由上面得出的W、P、Q的表達式可知,兩情況拉力的功、功率、線圈中的焦耳熱之比分別為1∶2、1∶4、1∶2。

 

例5、圖中a1b1c1d1和a2b2c2d2為在同一豎直面內的金屬導軌,處在磁感應強度為B的勻強磁場中,磁場方向垂直導軌所在的平面(紙面)向裡。導軌的a1b1段與a2b2段是豎直的,距離為l1 ;c1d1段與c2d2段也是豎直的,距離為l2。x1y1與x2y2為兩根用不可伸長的絕緣輕線相連的金屬細杆,質量分別為m1和m2,它們都垂直於導軌並與導軌保持光滑接觸。兩桿與導軌構成的迴路的總電阻為R。F為作用於金屬杆x1y1上的豎直向上的恆力。已知兩桿運動到圖示位置時,已勻速向上運動,求此時作用於兩桿的重力的功率的大小和迴路電阻上的熱功率。

解析:設杆向上運動的速度為v,因杆的運動,兩桿與導軌構成的迴路的面積減少,從而磁通量也減少,由法拉第電磁感應定律,迴路中的感應電動勢的大小

迴路中的電流

電流沿順時針方向,兩金屬杆都要受到安培力作用,作用於杆x1y1的安培力為

(方向向上)

作用於杆x2y2的安培力為(方向向下)

當杆勻速運動時,根據牛頓第二定律有

解以上各式

作用於兩桿的重力功率的大小

電阻上的熱功率

例6、一矩形線圈位於一隨時間t變化的勻強磁場內,磁場方向垂直線圈所在的平面(紙面)向裡,如圖1所示。以I表示線圈中的感應電流,以圖中的線圈上所示方向的電流為正,則圖2中的I—t圖正確的是(    )

圖1

圖2

解析:由圖象可知,在0到1秒的時間內,磁感應強度均勻增大,那麼感應電流的方向為逆時針方向,與圖示電流方向相反,為負值,排除B、C選項。根據法拉第電磁感應定律,其大小=為一定值,在2到3秒和4到5秒內,磁感應強度不變,磁通量不變,無感應電流生成,D錯誤,所以A選項感應強度不變,磁通量不變,無感應電流生成,D錯誤,所以A選項正確。

答案:A

 

例7、兩根光滑的長直金屬導軌導軌MN、M'N'平行置於同一水平面內,導軌間距為l,電阻不計,M、M'處接有如圖所示的電路,電路中各電阻的阻值均為R,電容器的電容為C。長度也為l、阻值同為R的金屬棒ab垂直於導軌放置,導軌處於磁感應強度為B、方向豎直向下的勻強磁場中。ab在外力作用下向右勻速運動且與導軌保持良好接觸,在ab運動距離為s的過程中,整個迴路中產生的焦耳熱為Q。求:

(1)ab運動速度v的大小;

(2)電容器所帶的電荷量q。

解析:(1)設ab上產生的感應電動勢為E,迴路中電流為I,ab運動距離s所用的時間為t,則有:E=BLv,,Q=I2(4R)t 

由上述方程得:

(2)設電容器兩極板間的電勢差為U,則有:U=IR

電容器所帶電荷量為:q=CU 

解得:

例8、如圖所示,空間等間距分布著水平方向的條形勻強磁場,豎直方向磁場區域足夠長,磁感應強度B=1 T,每一條形磁場區域的寬度及相鄰條形磁場區域的間距均為d=0.5 m,現有一邊長l=0.2 m、質量m=0.1 kg、電阻R=0.1 Ω的正方形線框MNOP以v0=7 m/s的初速從左側磁場邊緣水平進入磁場,求:

(1)線框MN邊剛進入磁場時受到安培力的大小F;

(2)線框從開始進入磁場到豎直下落的過程中產生的焦耳熱Q;

(3)線框能穿過的完整條形磁場區域的個數n。

解析:(1)線框MN邊剛進入磁場時有:

(2)設線框豎直下落H時,速度為vH

由能量守恆得:

自由落體規律:

解得:

(3)線框穿過第1個條形磁場左邊界過程中:

根據動量定理:

解得:

同理線框穿過第1個條形磁場右邊界過程中有:

所以線框穿過第1個條形磁場過程中有:

設線框能穿過n個條形磁場,則有:

解得:

可穿過4個完整條形磁場區域

相關焦點

  • 第40講 電磁感應與力學規律的綜合應用 高中物理一輪複習
    (2)適用範圍:適用於一切電磁感應現象。(3)應用楞次定律判斷感應電流方向的一般步驟:①明確所研究的閉合迴路中原磁場的方向;②明確穿過閉合迴路的磁通量是增加還是減少;③楞次定律判定感應電流的磁場方向;④由安培定則根據感應電流的磁場方向判斷出感應電流的方向。
  • 高中物理10大難點強行突破系列—7、法拉第電磁感應定律,必會
    法拉第電磁感應定律【背景】奧斯特1820年7月發表的「關於通電導線周圍存在磁場」的論文在歐洲科學界引起了強烈的反響。很多科學家投入對電磁現象的研究。1831年8月29日發現了電磁感應的第一個效應,即以一個電流產生另一個電流。暫態效應:當變量改變並且系統尚未達到穩定狀態時,系統被稱為處於瞬態狀態,又稱為暫態。暫態情況下產生的有異於穩態的性質或者現象稱為暫態效應。
  • 【高中物理】高中物理公式—磁場、電磁感應!
    磁感應強度是用來表示磁場的強弱和方向的物理量,是矢量,單位T),1T=1N/A?m2.安培力F=BIL;(註:L⊥B) {B:磁感應強度(T),F:安培力(F),I:電流強度(A),L:導線長度(m)} 3.
  • 高中物理必修一知識點總結:電磁感應
    新東方網整理高中物理必修一知識點,將每一知識點的定義、公式和需要掌握高考考試的內容都整理了出來。解決與電路相聯繫的電磁感應問題的基本方法是:   (1)用法拉第電磁感應定律和楞次定律確定感應電動勢的大小和方向。(2)畫等效電路。   (3)運用全電路歐姆定律,串並聯電路性質,電功率等公式聯立求解。
  • 高中物理選修3-2精講視頻課 第11節 第四章 電磁感應 課時8:渦流、電磁阻尼和電磁驅動
    往期課程:高中物理選修3-2精講視頻課 第1節 第四章 電磁感應 課時1:劃時代的發現 探究感應電流的產生條件(1)高中物理選修3-2精講視頻課 第2節 第四章 電磁感應 課時1:劃時代的發現 探究感應電流的產生條件(2)高中物理選修3-2精講視頻課 第3節 第四章 電磁感應 課時2:楞次定律(1)
  • 高考物理中,這種電磁感應雙杆模型,勻速直線運動只是終態
    高中物理寶寶們,電磁感應有沒有覺得很需要多來點典型例題呀?尤其是單雙杆模型都有的典例,今天一起來複習。電磁感應雙杆模型(2)本題涉及知識點:電磁感應中的楞次定律、法拉第電磁感應定律、單雙杆模型,機械能守恆定律、牛頓定律
  • 高中物理重難點「磁場及電磁感應動力學、能量問題」,圖文詳解
    讓很多同學頭疼的綜合壓軸題來啦!電磁感應動力學和能量問題是考試中物理最愛考察的綜合壓軸題,也是將學生之間分差拉開的重難點問題,想把這部分知識學好,磁場這部分的知識也要記牢,打好基礎,學姐今天為大家整理了磁場以及電磁感應動力學、能量問題,並且還有更加直觀的圖文講解,理科生趕快看過來!
  • 高中物理常考十大公式之法拉第電磁感應定律公式
    對於高中物理成績不好的同學來說,熟悉複習資料的積累要隨時整理。高考網小編為各位考生整理了一些高考物理必備的知識點,供大家參考閱讀!  公式E=Blv  單獨一根導體棒切割磁感線時,產生的電動勢大小為E=Blv;這裡的Blv三者垂直,如果不垂直,需要將l等效替換,將v投影。
  • 法拉第電磁感應定律內容及公式
    什麼是電磁感應定律  電磁感應定律也叫法拉第電磁感應定律,電磁感應現象是指因磁通量變化產生感應電動勢的現象,例如,閉合電路的一部分導體在磁場裡做切割磁感線的運動時,導體中就會產生電流,產生的電流稱為感應電流,產生的電動勢(電壓)稱為感應電動勢。
  • 電磁感應-感應電動勢
    點擊關注跟勇哥學物理,置頂公眾號專注分享高中物理知識點
  • 電磁感應定律內容_電磁感應定律提出者和發現者
    打開APP 電磁感應定律內容_電磁感應定律提出者和發現者 網絡整理 發表於 2020-12-25 14:19:34   電磁感應定律內容   電磁感應定律也叫法拉第電磁感應定律,電磁感應現象是指因磁通量變化產生感應電動勢的現象,例如,閉合電路的一部分導體在磁場裡做切割磁感線的運動時,導體中就會產生電流,產生的電流稱為感應電流,產生的電動勢(電壓)稱為感應電動勢 。
  • 物理基礎要點:電磁感應
    )用法拉第電磁感應定律和楞次定律確定感應電動勢的大小和方向. (2)畫等效電路. 8.電磁感應現象中的力學問題 (1)通過導體的感應電流在磁場中將受到安培力作用,電磁感應問題往往和力學問題聯繫在一起,基本方法是:①用法拉第電磁感應定律和楞次定律求感應電動勢的大小和方向.②求迴路中電流強度. ③分析研究導體受力情況(包含安培力,用左手定則確定其方向).④列動力學方程或平衡方程求解.
  • 高考物理知識點:電磁感應
    ★楞次定律   (1)楞次定律:感應電流的磁場,總是阻礙引起感應電流的磁通量的變化。楞次定律適用於一般情況的感應電流方向的判定,而右手定則只適用於導線切割磁感線運動的情況,此種情況用右手定則判定比用楞次定律判定簡便。   (2)對楞次定律的理解   ①誰阻礙誰---感應電流的磁通量阻礙產生感應電流的磁通量。
  • 高三物理公式:電磁感應公式總結
    高三物理公式:電磁感應公式總結 2012-10-09 17:55 來源:新東方網整理 作者:
  • 【物理必修第一冊】3.3 牛頓第三定律
    能源與可持續發展 第十二章 電能 能量守恆定律  複習第十三章 電磁感應與電磁波初步  1. 磁場 磁感線  2. 磁感應強度 磁通量  3. 電磁感應現象及應用  4. 電磁波的發現及應用  5.>第38講法拉第電磁感應定律 第39講電磁感應中的圖像問題第40講電磁感應與力的綜合應用第41講交流電第42節變壓器遠距離輸電 第43
  • 電磁學基礎:電磁感應現象及楞次定律
    一、電磁感應現象當穿過閉合電路的磁通量發生變化時,電路中有電流產生,這種現象稱為電磁感應現象。二、楞次定律感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化,這就是楞次定律。1.對楞次定律的理解①.因果關係應用楞次定律實際上就是尋求電磁感應中的因果關係。磁通量發生變化是原因,產生感應電流是結果。
  • 高中物理電磁感應大題解題固定套路小結
    高中物理電磁感應壓軸題向來給人的感覺就是題目較長,讀起來很容易厭煩,抓不到重點,並且考試的時候情緒緊張,讀題就更不得要領,不知道從何下手。對於這種常見的問題,咱們特別需要一種有效的應對方式。我建議大家根據電磁感應不同類型和不同的問題做出針對性的準備。
  • 高考物理:二輪電磁感應微專題——兩法快速解答圖像問題
    電磁感應中圖像問題的解題思路(1)明確圖象的種類,是B-t圖象、Φ-t圖象、E-t圖象還是i-t圖象.對於切割磁感線產生感應電動勢和感應電流的情況,還常涉及E-x圖象和i-x圖象.(2)分析電磁感應的具體過程.(3)用右手定則或楞次定律確定方向對應關係.(4)結合法拉第電磁感應定律、歐姆定律和牛頓運動定律等寫出函數關係式.(5)根據函數關係式進行數學分析,如分析斜率的變化、截距等.
  • 高三物理複習:妙用二級公式解決電磁感應問題
    這道題是2016年全國高考物理1卷第20題,多項選擇題。考查點:法拉第電磁感應定律、右手定則、電功率難易程度:中檔題解析:圓盤在磁場中旋轉,聯想物理模型:杆繞軸做切割磁感線運動模型,杆兩端產生的感應電動勢大小公式:
  • 一文看懂電磁感應定律右手定則
    打開APP 一文看懂電磁感應定律右手定則 發表於 2018-03-16 09:05:03   電磁感應定律中電動勢的方向可以通過楞次定律或右手定則來確定。