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1、,专题四 电磁感应与电路,思想方法提炼,感悟渗透应用,思想方法提炼,电磁感应是电磁学的核心内容，也是高中物理综合性最强的内容之一，高考每年必考。题型有选择、填空和计算等，难度在中档左右，也经常会以压轴题出现。 在知识上，它既与电路的分析计算密切相关，又与力学中力的平衡、动量定理、功能关系等知识有机结合；方法能力上，它既可考查学生形象思维和抽象思维能力、分析推理和综合能力，又可考查学生运用数知识(如函数数值讨论、图像法等)的能力。,思想方法提炼,高考的热点问题和复习对策： 1.运用楞次定律判断感应电流(电动势)方向，运用法拉第电磁感应定律，计算感应电动势大小.注重在理解的基础上掌握灵活运用的技巧
2、. 2.矩形线圈穿过有界磁场区域和滑轨类问题的分析计算。要培养良好的分析习惯，运用动力学知识，逐步分析整个动态过程，找出关键条件，运用运动定律特别是功能关系解题。 3.实际应用问题，如日光灯原理、磁悬浮原理、电磁阻尼等复习时应多做介绍，有条件的让学生多接触实际.,思想方法提炼,此部分涉及的主要内容有： 1.电磁感应现象. (1)产生条件：回路中的磁通量发生变化. (2)感应电流与感应电动势：在电磁感应现象中产生的是感应电动势，若回路是闭合的，则有感应电流产生；若回路不闭合，则只有电动势，而无电流. (3)在闭合回路中，产生感应电动势的部分是电源，其余部分则为外电路.,思想方法提炼,2.法拉第电
3、磁感应定律：E=n ，E=BLvsin， 注意瞬时值和平均值的计算方法不同. 3.楞次定律三种表述： (1)感应电流的磁场总是阻碍磁通量的变化(涉及到：原磁场方向、磁通量增减、感应电流的磁场方向和感应电流方向等四方面).右手定则是其中一种特例. (2)感应电流引起的运动总是阻碍相对运动. (3)自感电动势的方向总是阻碍原电流变化.,思想方法提炼,4.相关链接 (1)受力分析、合力方向与速度变化，牛顿定律、动量定理、动量守恒定律、匀速圆周运动、功和能的关系等力学知识. (2)欧姆定律、电流方向与电势高低、电功、电功率、焦耳定律等电路知识. (3)能的转化与守恒定律.,感悟渗透应用,一、电磁感应现
4、象及其基本定律的应用 【例1】三个闭合矩形线框、处在同一竖直平面内，在线框的正上方有一条固定的长直导线，导线中通有自左向右的恒定电流，如图4-1所示，,感悟渗透应用,若三个闭合线框分别做如下运动：沿垂直长直导线向下运动，沿平行长直导线方向平动，绕其竖直中心轴OO转动. (1)在这三个线框运动的过程中，哪些线框中有感应电流产生?方向如何? (2)线框转到图示位置的瞬间，是否有感应电流产生?,感悟渗透应用,【解析】此题旨在考查感应电流产生的条件.根据直线电流周围磁场的特点，判断三个线框运动过程中，穿过它们的磁通量是否发生变化. (1)长直导线通有自左向右的恒定电流时，导线周围空间磁场的强弱分布不变
5、，但离导线越远，磁场越弱，磁感线越稀；离导线距离相同的地方，磁场强弱相同.,感悟渗透应用,线框沿垂直于导线方向向下运动，穿过它的磁通量减小，有感应电流产生，电流产生的磁场方向垂直纸面向里，根据楞次定律，感应电流的磁场方向也应垂直纸面向里，再由右手螺旋定则可判断感应电流为顺时针方向；线框沿平行导线方向运动，与直导线距离不变，穿过线框的磁通量不变，因此线框中无感应电流产生；线框绕OO轴转动过程中，穿过它的磁通量不断变化，在转动过程中线框中有感应电流产生，其方向是周期性改变的.,感悟渗透应用,(2)线框转到图示位置的瞬间，线框中无感应电流，由于长直导线下方的磁场方向与纸面垂直，在该位置线框的两竖直边
6、运动方向与磁场方向平行，不切割磁感线，所以无感应电流；从磁通量变化的角度考虑，图示位置是线框中磁通量从增加到最大之后开始减小的转折点，此位置感应电流的方向要发生变化，故此时其大小必为0.,感悟渗透应用,【解题回顾】对瞬时电流是否存在应看回路中磁通量是否变化，或看回路中是否有一段导体做切割磁感线运动，要想知道线框在磁场中运动时磁通量怎样变化，必须知道空间的磁场强弱、方向分布的情况，对常见磁体及电流产生的磁场要相当熟悉.,感悟渗透应用,【例2】如图4-2所示，竖直放置的螺线管与导线abcd构成回路，导线所围区域内有一垂直纸面向里的变化的匀强磁场，螺线管下方水平桌面上有一导体圆环.,感悟渗透应用,导
7、体abcd所围区域内磁场的磁感应强度按下列图4-3中哪一图线所表示的方式随时间变化时，导体圆环将受到向上的磁场作用力?(A),感悟渗透应用,【解析】C、D项中B随t是均匀变化的，在螺线管中产生的是稳定电流，这样在圆环中不能产生感应电流，圆环也就不能受到作用力. A项中磁场变大，但变化率却是越来越小，由E=BS/t，可知螺线管中电流越来越小，由楞次定律判断可知电流方向为dcbad，由此可知螺线管在圆环中产生的磁场方向向上，且磁感应强度逐渐减小，再由楞次定律可判定圆环为了阻碍磁通量减小，受到向上的作用力，有向上运动的趋势.答案应选A项.,感悟渗透应用,三、含感应电动势的电路分析与计算. 这类问题中
8、应当把产生感应电动势的部分导体看成电源，其余通路则为外电路，根据电路结构进行分析计算.,感悟渗透应用,【例7】如图4-8所示，da、cb为相距l的平行导轨(电阻可以忽略不计).a、b间接有一个固定电阻，阻值为R.长直细金属杆MN可以按任意角架在水平导轨上，并以速度v匀速滑动(平移)，v的方向和da平行. ,图4-8,感悟渗透应用,杆MN有电阻，每米长的电阻值为R.整个空间充满匀强磁场，磁感应强度的大小为B，方向垂直纸面(dabc平面)向里 (1)求固定电阻R上消耗的电功率为最大时角的值 (2)求杆MN上消耗的电功率为最大时角的值.,感悟渗透应用,【解析】如图4-8所示，杆滑动时切割磁感线而产生
9、感应电动势E=Blv，与角无关. 以r表示两导轨间那段杆的电阻，回路中的电流为: (1)电阻R上消耗的电功率为: 由于E和R均与无关，所以r值最小时，PR值达最大.当杆与导轨垂直时两轨道间的杆长最短，r的值最小，所以PR最大时的值为=/2.,感悟渗透应用,(2)杆上消耗的电功率为: Pr= 要求Pr最大，即要求 取最大值.由于 显然，r=R时， 有极大值因每米杆长的电阻值为R，r=R即要求两导轨间的杆长为1m，,感悟渗透应用,所以有以下两种情况： 如果l1m，则满足下式时r=R 1sin=l 所以=arcsinl 如果l1m，则两导轨间那段杆长总是大于1m，即总有rR由于 在rR的条件下，上式
10、随r的减小而单调减小，r取最小值时=/2， 取最小值， 取最大值，所以，Pr取最大值时值为,感悟渗透应用,【例8】如图4-9所示，光滑的平行导轨P、Q相距l=1m，处在同一水平面中，导轨左端接有如图所示的电路，其中水平放置的平行板电容器C两极板间距离d=10mm，定值电阻R1=R3=8，R2=2，导轨电阻不计.,图4-9,感悟渗透应用,磁感应强度B=0.4T的匀强磁场竖直向下穿过导轨面.当金属棒ab沿导轨向右匀速运动(开关S断开)时，电容器两极板之间质量m=110-14kg、带电量Q=-110-15C的微粒恰好静止不动；当S闭合时，微粒以加速度a=7m/s2向下做匀加速运动，取g=10m/s2
11、，求： (1)金属棒ab运动的速度多大?电阻多大? (2)S闭合后，使金属棒ab做匀速运动的外力的功率多大?,感悟渗透应用,【解析】(1)带电微粒在电容器两极板间静止时，受向上的电场力和向下的重力作用而平衡，则得到:mg= 求得电容器两极板间的电压 由于微粒带负电，可知上极板电势高. 由于S断开，R1上无电流，R2、R3串联部分两端总电压等于U1，电路中的感应电流，即通过R2、R3的电流为:,感悟渗透应用,由闭合电路欧姆定律，ab切割磁感线运动产生的感应电动势为E=U1+Ir 其中r为ab金属棒的电阻 当闭合S后，带电微粒向下做匀加速运动，根据牛顿第二定律，有:mg-U2q/d=ma 求得S闭
12、合后电容器两极板间的电压:,感悟渗透应用,这时电路中的感应电流为 I2=U2/R2=0.3/2A=0.15A 根据闭合电路欧姆定律有 将已知量代入求得E=1.2V，r=2 又因E=Blv v=E/(Bl)=1.2/(0.41)m/s=3m/s 即金属棒ab做匀速运动的速度为3m/s，电阻r=2 ,感悟渗透应用,(2)S闭合后，通过ab的电流I2=0.15A，ab所受安培力F2=BI2l=0.410.15N=0.06Nab以速度v=3m/s做匀速运动时，所受外力必与安培力F2大小相等、方向相反，即F=0.06N，方向向右(与v同向)，可见外力F的功率为: P=Fv=0.063W=0.18W,感悟
13、渗透应用,四、交变电流和变压器电路 电磁感应产生交变电动势，问题的讨论便如同交流电路，要注意最大值、有效值、平均值的概念，电流的功率和热量的计算用有效值，电量的计算用平均值，要记住交变电动势最大值Em=NBS.解题思路与处理纯电阻直流电路相似. 变压器原线圈和与之相串联的负载作为外电路接在交变电源上，副线圈作为输出端电源，与副线圈相接的负载作为外电路，原副线圈各自的闭合回路同样符合闭合电路的有关规律，原副线圈之间通过电磁互感满足U1/U2=n1/n2，P入=P出两个基本公式.,感悟渗透应用,【例9】如图4-10所示，一半径为r的半圆形线圈，以直径ab为轴匀速转动，转速为n，ab的左侧有垂直纸面
14、向里的、磁感应强度为B的匀强磁场M、N是两个集流环，负载电阻为R，线圈、电流表和导线的电阻不计.,图4-10,感悟渗透应用,试求： (1)由图示位置起经过1/4转时间内负载电阻上产生的热量； (2)由图示位置起经过1/4转时间内通过负载电阻R的电量； (3)电流表示数.,感悟渗透应用,【解析】线圈由图示位置开始绕轴匀速转动，产生的交变电流如图4-11所示，交变电动势的最大值为：,图4-11,感悟渗透应用,(1)线圈由图示位置经1/4转时间内，电动势的有效值为： 电阻上产生的热量为： (2)线圈由图示位置经1/4转时间内，电动势的平均值由法拉第电磁感应定律知E=E/t，通过R的电量为:,感悟渗透
15、应用,(3)注意这里电流表的读数为有效值，而交流电的有效值是根据电流的热效应来定义的，通常应考察一个周期由图4-11可知，若交流电在一周期内的有效值为E，则由有效值定义知 解得E=Em/2，电流表的示数为:,感悟渗透应用,【例10】如图4-12所示，理想变压器原副线圈匝数n1n2n3=321副线圈2上接有“8V 8W”的灯泡L1、L2，副线圈3上接有“6V 9W”的灯泡L3、L4，原线圈上接有电阻R=3，当a、b两端接交变电源后，L1、L2正常发光，求交变电源的输出功率.,图4-12,感悟渗透应用,【解析】交变电源的输出功率等于原副线圈及其回路中电阻R消耗的功率，也就等于R上的功率与L1、L2
16、、L3、L4各灯消耗的功率之和 由于L1、L2正常发光，P1=P2=8W，U2=8V 由U1U2U3=n1n2n3=321 得U1=12V,U3=4V 所以L3、L4不能正常发光 R3=R4= ，,感悟渗透应用,所以L3、L4的实际功率为:P3=P4= . 变压器的输出功率为: P出=P1+P2+P3+P4=82+42=24W 原线圈中电流I1=P出/U1=24/12=2A，R上消耗的电功率P=I21R=223=12W 交流电源实际的输出功率=P+P出=12+24=36W,感悟渗透应用,五、电磁感应现象在实际生活、生产和科学技术中的应用 此类问题有两种形式，一种是介绍应用实例，要求指出所包含的
17、电磁感应理论(工作原理)，另一种是摆出实际问题，要求设计出使用方案或制作思想.后者要求较高，不但要熟练应用有关知识理论，还必须有较高的创造性思维能力，综合运用理论知识和实验技能.,感悟渗透应用,【例11】已知某一区域的地下埋有一根与地面平行的直线电缆，电缆中通有变化的电流，在其周围有变化的磁场，因此，可以通过在地面上测量闭合试探小线圈中的感应电动势来探测电缆的确切位置、走向和深度.当线圈平面平行地面时，a、c在两处测得试探线圈感应电动势为0，b、d两处测得试探线圈感应电动势不为0；当线圈平面与地面成45夹角时，在b、d两处测得试探线圈感应电动势为0；经测量发现，a、b、c、d恰好位于边长为1m
18、的正方形的四个顶角上，,感悟渗透应用,如图4-13所示，据此可以判定地下电缆在 ac 两点连线的正下方，离地表面的深度为 0.71 m.,图4-13,感悟渗透应用,【解析】当线圈平面平行地面时，a、c在两处测得试探线圈感应电动势为0，b、d两处测得试探线圈感应电动势不为0；可以判断出地下电缆在a、c两点连线的正下方；如图4-14所示ac表示电缆，当线圈平面与地面成45夹角时，在b、d两处测得试探线圈感应电动势为0； 可判断出Ob垂直试 探线圈平面，则作出： RtOOb，其中ObO=45 那么OO=Ob= /2=0.71(m).,图4-14,感悟渗透应用,【解题回顾】本题是一道电磁感应现象的实际应用的题目，将试探线圈产生感应电动势的条件应用在数学中，当线圈平面与地面成45夹角时，在b、d两处测得试探线圈感应电动势为0，即电缆与在b、d两处时的线圈平面平行，然后作出立体几何的图形，便可用数学方法处理物理问题.,感悟渗透应用,【解题回顾】A、B项答案中Bt图线均为曲线，曲线上每点切线的斜率表示磁感应强度的变化率腂膖，由此可知A中变化率越来越小，B中变化率则越来越大.,