2019_2020学年高中物理第一章电磁感应第五节课时2电磁感应中的电路问题和图象问课件粤教版选修3_2.pptx

第一章 第五节 电磁感应规律的应用,课时2 电磁感应中的电路问题和图象问题,学科素养与目标要求,物理观念： 进一步熟练掌握法拉第电磁感应定律、楞次定律、闭合电路欧姆定律. 科学思维： 1.掌握分析电磁感应现象中电路问题的基本思路和方法，建立解决电磁感应现象中电路问题的思维模型. 2.将抽象思维与形象思维相结合，综合应用楞次定律和法拉第电磁感应定律解决电磁感应中的图象问题.,NEIRONGSUOYIN,内容索引,重点探究,达标检测,课时对点练,启迪思维 探究重点,检测评价 达标过关,注重双基 强化落实,重点探究,1.明确哪部分电路或导体产生感应电动势，该部分电路或导体就相当于电源，其他部分是外电路. 2.画等效电路图，分清内、外电路. 3.用法拉第电磁感应定律 或EBlv确定感应电动势的大小，用楞次定 律或右手定则确定感应电流的方向.注意在等效电源内部，电流方向从负极流向正极. 4.运用闭合电路欧姆定律、串并联电路特点、电功率、电热等公式联立求解.,一、电磁感应中的电路问题,例1 固定在匀强磁场中的正方形导线框abcd边长为L，其中ab是一段电阻为R的均匀电阻丝，其余三边均为电阻可以忽略的铜线.磁感应强度为B，方向垂直纸面向里.现有一段与ab段的材料、粗细、长度均相同的电阻丝PQ架在导线框上(如图1所示).若PQ以恒定的速度v从ad滑向bc，当其滑过 的距离时， 通过aP段的电流是多大？方向如何？,图1,解析 PQ在磁场中做切割磁感线运动产生感应电动势，由于是闭合回路，故电路中有感应电流，可将电阻丝PQ视为有内阻的电源，电阻丝aP与bP并联，,学科素养 例1考查了电磁感应中的电路问题.正确画出等效电路图是解题的关键，所以要熟记以下两点：(1)“切割”磁感线的导体(或磁通量发生变化的线圈)相当于“电源”.(2)在“电源”内部电流从负极流向正极，解决本题的思路：先确定“电源”，画出等效电路图，再利用闭合电路欧姆定律来计算总电流，然后根据电路的串、并联关系求出aP段中的电流，通过这样的分析培养了学生的综合分析能力，很好地体现了“科学思维”的学科素养.,针对训练 如图所示为用相同导线制成的边长为L或2L的4个单匝闭合线框，以相同的速度先后沿垂直于磁场边界的方向穿过正方形匀强磁场区域，磁场方向垂直纸面向外，区域宽度大于2L，则进入磁场过程中，感应电流最大的回路是,解析 线框进入磁场过程中，做切割磁感线运动，设切割磁感线的有效长度为d，产生的感应电动势EBdv，,二、电磁感应中的图象问题,1.问题类型 (1)由给定的电磁感应过程选出或画出正确的图象. (2)由给定的图象分析电磁感应过程，求解相应的物理量. 2.图象类型 (1)各物理量随时间t变化的图象，即Bt图象、t图象、Et图象和It图象. (2)导体切割磁感线运动时，还涉及感应电动势E和感应电流I随导体位移变化的图象，即Ex图象和Ix图象. 3.解决此类问题需要熟练掌握的规律：安培定则、左手定则、楞次定律、右手定则、法拉第电磁感应定律、欧姆定律等.,例2 (2018·北京101中学高二下学期期中)如图2甲所示，矩形线圈abcd位于匀强磁场中，磁场方向垂直线圈所在平面，磁感应强度B随时间t变化的规律如图乙所示.以图中箭头所示方向为线圈中感应电流i的正方向，以垂直于线圈所在平面向里为磁感应强度B的正方向，则下列图中能正确表示线圈中感应电流i随时间t变化规律的是,图2,再由Bt图象可知，01 s时间内，B增大，增大，感应电流的磁场与原磁场方向相反(感应电流的磁场方向向外)，由楞次定律知，感应电流是逆时针的，因而是负值. 所以可判断01 s为负的恒值；12 s为零；23 s为正的恒值，C正确.,例3 如图3所示，一底边长为L、底边上的高也为L的等腰三角形导体线框以恒定的速度v沿垂直于磁场区域边界的方向穿过长为2L、宽为L的匀强磁场，磁场方向垂直纸面向里.t0时刻，三角形导体线框的底边刚进入磁场，取沿逆时针方向的感应电流为正方向，则在三角形导体线框穿过磁场区域的过程中，感应电流i随时间t变化的图线可能是,图3,再根据楞次定律及安培定则，可知进、出磁场时感应电流的方向相反，进磁场时感应电流方向为正方向，出磁场时感应电流方向为负方向，故选A.,提示 线框进、出匀强磁场，可根据EBLv判断E的大小变化，再根据楞次定律判断方向.特别注意L为切割磁感线的有效长度.,达标检测,1.(电磁感应中的电路问题)粗细均匀的电阻丝围成的正方形线框置于有界匀强磁场中，磁场方向垂直于线框平面，其边界与正方形线框的边平行.现使线框以同样大小的速度沿四个不同方向平移出磁场，如图所示，则在移出过程中线框的一边a、b两点间电势差的绝对值最大的是,1,2,3,4,解析 磁场中切割磁感线的边相当于电源，外电路可看成由三个相同电阻串联形成，A、C、D选项中a、b两点间电势差的绝对值为外电路中一个电阻两 端的电压：,1,2,3,4,2.(电磁感应中的图象问题)在竖直方向的匀强磁场中，水平放置一个面积不变的单匝金属线圈，规定线圈中感应电流的正方向如图4甲所示，取线圈中磁场B的方向向上为正方向，当磁感应强度B随时间t的变化如图乙所示，以下四图中正确表示线圈中感应电流变化的是,图4,1,2,3,4,解析 在前半个周期内，磁场方向向上且逐渐减小，根据楞次定律可知感应电流的方向为负方向； 后半个周期内磁场方向向下且增大，根据楞次定律可知感应电流的方向为负方向，且后半个周期内磁感应强度的变化率为前半个周期内的两倍，故电流也为前半个周期的两倍，选项A正确.,1,2,3,4,3.(电磁感应中的图象问题)如图5所示，两条平行虚线之间存在匀强磁场，虚线间的距离为L，磁场方向垂直纸面向里，abcd是位于纸面内的梯形线圈，ad与bc间的距离也为L，t0时刻bc边与磁场区域边界重合.现令线圈以恒定的速度v沿垂直于磁场区域边界的方向穿过磁场区域，取沿abcda方向为感应电流正方向，则在线圈穿越磁场区域的过程中，感应电流I随时间t变化的图线可能是,图5,1,2,3,4,解析 bc边进入磁场时，根据右手定则判断出其感应电流的方向是沿adcba方向，其方向与电流的正方向相反，故是负的，所以A、C错误； 当线圈逐渐向右移动时，切割磁感线的有效长度变大，故感应电流在增大，当bc边穿出磁场区域时，线圈中的感应电流方向变为abcda，是正方向，故其图象在时间轴的上方，所以B正确，D错误.,1,2,3,4,4.(电磁感应中的电路问题)(2018·海安高级中学第一学期期中)如图6所示，在垂直纸面向里的磁感应强度为B的有界矩形匀强磁场区域内，有一个由均匀导线制成的单匝矩形线框abcd，线框平面垂直于磁感线.线框以恒定的速度v垂直磁场边界向左运动，运动中线框dc边始终与磁场右边界平行，线框边长adl，cd2l，线框导线的总电阻为R，则线框离开磁场的过程中，求：,图6,(1)流过线框横截面的电荷量q；,1,2,3,4,解析 线框离开磁场过程中，cd边切割磁感线EB·2l·v，,1,2,3,4,(2)cd两点间的电势差Ucd.,解析 线框向左离开磁场，cd边相当于电源，可判定c点为电源正极，,1,2,3,4,课时对点练,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,一、选择题 考点一 电磁感应中的电路问题 1.如图1所示，磁感应强度为B，ef长为l，ef的电阻为r，外电阻为R，其余电阻不计.当ef在外力作用下向右以速度v匀速运动时，则ef两端的电压为,图1,13,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,2.如图2所示，由均匀导线制成的半径为R的圆环，以速度v匀速进入一磁感应强度大小为B的有直线边界(图中竖直虚线)的匀强磁场.当圆环运动到图示位置(aOb90°)时，a、b两点的电势差为,图2,13,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,A.Uab0.1 V B.Uab0.1 V C.Uab0.2 V D.Uab0.2 V,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,3.用均匀导线做成的正方形线框边长为0.2 m，正方形的一半放在垂直纸面向里的匀强磁场中，如图3所示.当磁场以10 T/s的变化率增强时，线框上a、b两点间的电势差是,图3,13,解析 穿过正方形线框左半部分的磁通量变化而产生感应电动势，从而在线框中产生感应电流，把左半部分线框看成电源，设其电动势为E，正方形线框的总电阻为r，,由楞次定律和安培定则可判定a点电势低于b点电势，故Uab0.1 V，即B选项正确.,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,4.如图4所示，竖直平面内有一金属圆环，半径为a，总电阻为R(指剪开拉直时的电阻)，磁感应强度为B的匀强磁场垂直穿过环平面.环的最高点A用铰链连接长度为2a、电阻为 的导体棒AB，AB由水平位置紧贴环面摆下，当摆到竖直位置时，B点的线速度为v，则这时AB两端的电压大小为,图4,13,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,5.(多选)(2018·阳泉市第十一中学高二下学期月考)在如图5甲所示的电路中，螺线管匝数n1 500匝，横截面积S20 cm2.螺线管导线电阻r1.0 ，R14.0 ，R25.0 ，C30 F.在一段时间内，穿过螺线管的磁场的磁感应强度B按如图乙所示的规律变化，螺线管内的磁感应强度B的方向向下为正方向.则下列说法中正确的是,A.螺线管中产生的感应电动势为1 V B.闭合S，电路中的电流稳定后，电阻R1的 电功率为5×102 W C.电路中的电流稳定后电容器下极板带正电 D.S断开后，流经R2的电荷量为1.8×105 C,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,图5,13,根据楞次定律，螺线管感应电动势沿逆时针方向，即等效电源为上负下正，所以电路中电流稳定后电容器下极板带正电，C正确； S断开后，流经R2的电荷量即为S闭合时电容器所带电荷量Q，电容器两端的电压等于R2两端电压，故UIR20.6 V，流经R2的电荷量QCU1.8×105 C，D正确.,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,考点二 电磁感应中的图象问题 6.(2018·邵阳市第二中学高二下学期月考)如图6甲所示，一根电阻R4 的导线绕成半径d2 m的圆，在圆内部分区域存在变化的匀强磁场，中间S形虚线是两个直径均为d的半圆，磁感应强度随时间变化如图乙所示(磁场垂直于纸面向外为正，电流逆时针方向为正)，关于圆环中的感应电流时间图象，下列选项中正确的是,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,图6,13,由楞次定律知，感应电流为顺时针方向，为负值，故C正确，A、B、D错误.,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,7.(2017·扬州、泰州、南通、淮安、宿迁、徐州六市3月联考)如图7所示，闭合导线框匀速穿过垂直纸面向里的匀强磁场区域，磁场区域宽度大于线框尺寸，规定线框中逆时针方向的电流为正，则线框中电流i随时间t变化的图象可能正确的是,图7,13,8.(2018·东江高级中学高二第二学期月考)如图8所示，一个有矩形边界的匀强磁场区域，磁场方向垂直纸面向里.一个三角形闭合导线框，由位置1(左)沿纸面匀速运动到位置2(右).取线框刚到达磁场的时刻为计时起点(t0)，规定逆时针方向为电流的正方向，则下图中能正确反映线框中电流与时间关系的是(线框底边长度小于磁场区域宽度),1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,图8,13,解析 线框进入磁场的过程，磁通量向里增加，根据楞次定律得知感应电流的磁场向外，由安培定则可知感应电流方向为逆时针，电流i应为正值，故B、C错误； 线框进入磁场的过程，线框的有效切割长度先均匀增大后均匀减小，由EBLv可知感应电动势先均匀增大后均匀减小；线框完全进入磁场的过程，磁通量不变，没有感应电流产生.线框穿出磁场的过程，磁通量向里减小，根据楞次定律得知感应电流的磁场向里，由安培定则可知感应电流方向为顺时针，电流i应为负值；线框的有效切割长度先均匀增大后均匀减小，由EBLv可知感应电动势先均匀增大后均匀减小，故A正确，D错误.,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,9.如图9所示的区域内有垂直于纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B.一个电阻为R、半径为L、圆心角为45°的扇形闭合导线框绕垂直于纸面的O轴匀速转动(O轴位于磁场边界)，周期为T，t0时刻线框置于如图所示位置，则线框内产生的感应电流的图象为(规定电流顺时针方向为正),1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,图9,13,解析 在本题中由于扇形导线框匀速转动，因此导线框进入磁场的过程中产生的感应电动势是恒定的. 注意线框在进入磁场和离开磁场时，有感应电流产生，当完全进入时，由于磁通量不变，故无感应电流产生. 由右手定则可判断导线框进入磁场时，电流方向为逆时针，故A正确.,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,10.如图10所示，在空间中存在两个相邻的、磁感应强度大小相等、方向相反的有界匀强磁场，其宽度均为L.现将宽度也为L的矩形闭合线圈，从图示位置垂直于磁场方向匀速拉过磁场区域，则在该过程中，能正确反映线圈中所产生的感应电流或其所受的外力随时间变化的图象是,图10,13,解析 当矩形闭合线圈进入磁场时，由法拉第电磁感应定律判断，当线圈处在两个磁场中时，两个边切割磁感线，此过程中感应电流的大小是最大的，所以选项A、B是错误的. 由楞次定律可知，当矩形闭合线圈进入磁场和离开磁场时，磁场力总是阻碍线圈的运动，方向始终向左，所以外力F始终水平向右.安培力的大小不同，线圈处在两个磁场中时安培力最大.故选项D是正确的，选项C是错误的.,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,11.如图11甲所示，矩形导线框abcd放在匀强磁场中静止不动，磁场方向与线框平面垂直，磁感应强度B随时间t变化的图象如图乙所示.设t0时刻，磁感应强度的方向垂直纸面向里，则在04 s时间内，选项图中能正确反映线框ab边所受的安培力F随时间t变化的图象是(规定ab边所受的安培力向左为正),图11,13,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,二、非选择题 12.如图12所示，光滑金属导轨PN与QM相距1 m，电阻不计，两端分别接有电阻R1和R2，且R16 ，R23 ，ab导体棒的电阻为2 .垂直穿过导轨平面的匀强磁场的磁感应强度为1 T.现使ab以恒定速度v3 m/s匀速向右移动，求：,图12,(1)导体棒上产生的感应电动势E；,答案 3 V,解析 导体棒产生的感应电动势EBLv1×1×3 V3 V.,13,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,(2)R1与R2分别消耗的电功率.,13,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13.如图13所示，导线全部为裸导线，半径为r、两端开有小口的圆内有垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度大小为B，一根长度大于2r的导线MN以速度v在圆环上无摩擦地自左端匀速滑到右端，电路中定值电阻阻值为R，其余部分电阻均忽略不计，试求MN从圆环左端滑到右端的过程中：,图13,(1)通过电阻R的最大感应电流；,解析 MN向右滑动时，切割磁感线的有效长度不断变化，当MN经过圆心时，有效切割长度最长，此时感应电动势和感应电流达到最大值，,13,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,(2)通过电阻R的电荷量；,13,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,(3)当导线MN通过圆环中心时，如果导线MN接入电路的电阻为R0，电阻R两端的电压.,13,