难点12 电磁感应电路分析与模型转换

难点12 电磁感应电路分析与模型转换电磁感应电路的分析与计算以其覆盖知识点多，综合性强，思维含量高，充分体现考生能力和素质等特点，成为历届高考命题的特点.●难点磁场1.如图12-1所示，MN 、PQ 为两平行金属导轨，M 、P 间连有一阻值为R 的电阻，导轨处于匀强磁场中，磁感应强度为B ，磁场方向与导轨所在平面垂直，图中磁场垂直纸面向里.有一金属圆环沿两导轨滑动，速度为v ，与导轨接触良好，圆环的直径d 与两导轨间的距离相等.设金属环与导轨的电阻均可忽略，当金属环向右做匀速运动时 A.有感应电流通过电阻R ，大小为RdBvB.有感应电流通过电阻R ，大小为R dBvC.有感应电流通过电阻R ，大小为RdBv2D.没有感应电流通过电阻R2.两根相距d =0.20 m 的平行金属长导轨固定在同一水平面内，并处于竖直方向的匀强磁场中，磁场的磁感应强度B =0.20 T ，导轨上面横放着两条金属细杆，构成矩形闭合回路.每条金属细杆的电阻为r =0.25 Ω，回路中其余部分的电阻可不计，已知两金属细杆在平行导轨的拉力作用下沿导轨朝相反方向匀速平移，速度大小都是v =5.0 m/s ，如图12-2所示，不计导轨上的摩擦.（1）求作用于每条金属细杆的拉力的大小.（2）求两金属细杆在间距增加0.40 m 的滑动过程中共产生的热量. 3.如图12-3所示，长为L 、电阻r =0.3 Ω、质量m =0.1 kg 的金属棒CD 垂直跨搁在位于水平面上的两条平行光滑金属导轨上，两导轨间距也是L ，棒与导轨间接触良好，导轨电阻不计，导轨左端接有R =0.5 Ω的电阻，量程为了 0～3.0 A 的电流表串接在一条导轨上，量程为0～1.0 V 的电压表接在电阻R 的两端，垂直导轨平面的匀强磁场向下穿过平面.现以向右恒定外力F 使金属棒右移.当金属棒以v =2 m/s 的速度在导轨平面上匀速滑动时，观察到电路中的一个电表正好满偏，而另一个电表未满偏.问：（1）此满偏的电表是什么表?说明理由. （2）拉动金属棒的外力F 多大?（3）此时撤去外力F ，金属棒将逐渐慢下来，最终停止在导轨上.求从撤去外力到金属棒停止运动的过程中通过电阻R 的电量.●案例探究［例1］据报道，1992年7月，美国"阿特兰蒂斯"号航天飞机进行了一项卫星悬绳发电实验，实验取得了部分成功.航天飞机在地球赤道上空离地面约3000 km 处由东向西飞行，相对地面速度大约6.5×103 m/s ，从航天飞机上向地心方向发射一颗卫星，携带一根长20 km ，电阻为800 Ω的金属悬绳，使这根悬绳与地磁场垂直，做切割磁感线运动.假定这一范围内的地磁场是均匀的.磁感应强度为4×10-5T ，且认为悬绳上各点的切割速度和航天飞机的速度相同.根据理论设计，通过电离层（由等离子体组成）的作用，悬绳可以产生约3 A 的感应电流，试求：（1）金属悬绳中产生的感应电动势； （2）悬绳两端的电压；图12-1图12-2 图12-3（3）航天飞机绕地球运行一圈悬绳输出的电能（已知地球半径为6400 km ）.命题意图：考查考生信息摄取、提炼、加工能力及构建物理模型的抽象概括能力.B 级要求.错解分析：考生缺乏知识迁移运用能力和抽象概括能力，不能于现实情景中构建模型（切割磁感线的导体棒模型）并进行模型转换（转换为电源模型及直流电路模型），无法顺利运用直流电路相关知识突破.解题方法与技巧：将飞机下金属悬绳切割磁感线产生感应电动势看作电源模型，当它通过电离层放电可看作直流电路模型.如图12-4所示. （1）金属绳产生的电动势：E =Blv =4×10-5×20×103×6.5×103 V ＝5.2×103 V（2）悬绳两端电压，即路端电压可由闭合电路欧姆定律得： U =E -Ir =5.2×103-3×800 V ＝2.8×103 V （3）飞机绕地运行一周所需时间t =v R π2=333105.6)103000106400(14.32⨯⨯+⨯⨯⨯s ＝9.1×103 s 则飞机绕地运行一圈输出电能：E =UIt =2800×3×9.1×103 Ｊ＝７.6×107 Ｊ ［例2］如图12-5所示，竖直向上的匀强磁场，磁感应强度B =0.5T ，并且以tB∆∆=0.1 T/s 在变化，水平轨道电阻不计，且不计摩擦阻力，宽0.5 m 的导轨上放一电阻R 0=0.1 Ω的导体棒，并用水平线通过定滑轮吊着质量M =0.2 kg 的重物，轨道左端连接的电阻R =0.4 Ω，图中的l =0.8 m ，求至少经过多长时间才能吊起重物.命题意图：考查理解能力、推理能力及分析综合能力.B 级要求. 错解分析：（1）不善于逆向思维，采取执果索因的有效途径探寻解题思路；（2）实际运算过程忽视了B 的变化，将B 代入F 安=BIl ab ，导致错解.解题方法与技巧：由法拉第电磁感应定律可求出回路感应电动势：E =tBS t ∆∆=∆∆Φ ①由闭合电路欧姆定律可求出回路中电流 I ＝RR E+0②由于安培力方向向左，应用左手定则可判断出电流方向为顺时针方向（由上往下看）.再根据楞次定律可知磁场增加，在t 时磁感应强度为：B ′＝（B ＋tB∆∆·t ） ③此时安培力为F 安=B ′Il ab ④ 由受力分析可知 F 安=mg⑤由①②③④⑤式并代入数据：t=495 s图12-4 图12-5●锦囊妙计 一、命题特点对电磁感应电路的考查命题，常以学科内综合题目呈现，涉及电磁感应定律、直流电路、功、动能定理、能量转化与守恒等多个知识点，突出考查考生理解能力、分析综合能力，尤其从实际问题中抽象概括构建物理模型的创新能力.二、求解策略变换物理模型，是将陌生的物理模型与熟悉的物理模型相比较，分析异同并从中挖掘其内在联系，从而建立起熟悉模型与未知现象之间相互关系的一种特殊解题方法.巧妙地运用“类同”变换，“类似”变换，“类异”变换，可使复杂、陌生、抽象的问题变成简单、熟悉、具体的题型，从而使问题大为简化.解决电磁感应电路问题的关键就是借鉴或利用相似原型来启发理解和变换物理模型，即把电磁感应的问题等效转换成稳恒直流电路，把产生感应电动势的那部分导体等效为内电路.感应电动势的大小相当于电源电动势.其余部分相当于外电路，并画出等效电路图.此时，处理问题的方法与闭合电路求解基本一致，惟一要注意的是电磁感应现象中，有时导体两端有电压，但没有电流流过，这类似电源两端有电势差但没有接入电路时，电流为零.●歼灭难点训练1.在方向水平的、磁感应强度为0.5 T 的匀强磁场中，有两根竖直放置的导体轨道cd 、e f ，其宽度为1 m ，其下端与电动势为12 V 、内电阻为1 Ω的电源相接，质量为0.1 kg 的金属棒MN 的两端套在导轨上可沿导轨无摩擦地滑动，如图12-6所示，除电源内阻外，其他一切电阻不计，g =10 m ／s 2，从S 闭合直到金属棒做匀速直线运动的过程中A.电源所做的功等于金属棒重力势能的增加B.电源所做的功等于电源内阻产生的焦耳热C.匀速运动时速度为20 m ／sD.匀速运动时电路中的电流强度大小是2 A 2.两根光滑的金属导轨，平行放置在倾角为θ的斜面上，导轨的左端接有电阻R ，导轨自身的电阻可忽略不计.斜面处在匀强磁场中，磁场方向垂直于斜面向上.质量为m 、电阻可不计的金属棒ab ，在沿着斜面与棒垂直的恒力F 作用下沿导轨匀速上滑，并上升h 高度.如图12-7所示，在这过程中A.作用于金属棒上的各个力的合力所做的功等于零B.作用于金属棒上的各个力的合力所做的功等于mg h 与电阻R 上发出的焦耳热之和C.恒力F 与安培力的合力所做的功等于零D.恒力F 与重力的合力所做的功等于电阻R 上发出的焦耳热3.如图12-8所示，空间存在垂直于纸面的均匀磁场，在半径为a 的圆形区域内、外，磁场方向相反，磁感应强度的大小均为B .一半径为b ，电阻为R 的圆形导线环放置在纸面内，其圆心与圆形区域的中心重合.在内、外磁场同时由B 均匀地减小到零的过程中，通过导线截面的电量Q =_________.图12-6图12-7图12-8图12-94.如图12-9所示，放在绝缘水平面上的两条平行金属导轨MN 和PQ 之间的宽度为l ，置于磁感应强度值为B 的匀强磁场中，B 的方向垂直于导轨平面，导轨左端接有电阻为R ，其他电阻不计，导轨右端接有电容为C 的电容器，长为2l 的金属棒ab 放在导轨上与导轨垂直且接触良好，其a 端绞链在导轨PQ 上，现将棒以角速度ω绕a 点沿水平导轨平面顺时针旋转90°角，求这个过程中通过R 的总电量是多少?5.如图12-10所示，AB 和CD 是足够长的平行光滑导轨，其间距为l ，导轨平面与水平面的夹角为θ.整个装置处在磁感应强度为B 的，方向垂直于导轨平面向上的匀强磁场中.AC 端连有电阻值为R 的电阻.若将一质量M ，垂直于导轨的金属棒EF 在距BD 端s 处由静止释放，在EF 棒滑至底端前会有加速和匀速两个运动阶段.今用大小为F ，方向沿斜面向上的恒力把EF 棒从BD 位置由静止推至距BD 端s 处，突然撤去恒力F ，棒EF 最后又回到BD 端.求：（1）EF 棒下滑过程中的最大速度.（2）EF 棒自BD 端出发又回到BD 端的整个过程中，有多少电能转化成了内能（金属棒、导轨的电阻均不计）?6.在磁感应强度为B =0.4 T 的匀强磁场中放一个半径r 0=50 cm 的圆形导轨，上面搁有互相垂直的两根导体棒，一起以角速度ω=103 rad /s 逆时针匀速转动.圆导轨边缘和两棒中央通过电刷与外电路连接，若每根导体棒的有效电阻为R 0=0.8 Ω，外接电阻R =3.9 Ω，如所示，求：（1）每半根导体棒产生的感应电动势.（2）当电键S 接通和断开时两电表示数（假定R V →∞，R A →0）. 参考答案： ［难点磁场］1.B.提示：将圆环转换为并联电源模型，如图12′-1.图12′—1 图12′—2 2.（1）3.2×10-2 N （2）1.28×10-2 J提示：将电路转换为直流电路模型如图15′—2.3.（1）电压表 理由略 （2）F =1.6 N （3）Q =0.25 C ［歼灭难点训练］ 1.CD 2.AD 3.Q =I Δt =Rb a B )2(22-π或Q =Ra b B )2(22-π4.Q =Bl 2（R23+2C ω） 5.（1）如图12′—3当EF 从距BD 端s 处由静止开始滑至BD 的过程中，受力情况如图图所示.安培力：F 安=BIl =Bl RBlv图12-10图12-11图12′—3根据牛顿第二定律：a =ML R Blv BMg -sin θ①所以，EF 由静止开始做加速度减小的变加速运动.当a =0时速度达到最大值v m .由①式中a =0有：Mg sinθ-B 2l 2v m /R =0 ② v m =22sin lB MgR θ（2）由恒力F 推至距BD 端s 处，棒先减速至零，然后从静止下滑，在滑回BD 之前已达最大速度v m开始匀速.设EF 棒由BD 从静止出发到再返回BD 过程中，转化成的内能为ΔE .根据能的转化与守恒定律：F s-ΔE =21Mv m 2③ΔE =F s-21M （22sin lB MgR θ）2④6.（1）每半根导体棒产生的感应电动势为E 1=Bl v =21Bl 2ω=21×０.4×103×（0.5）2 V ＝50 V. （2）两根棒一起转动时，每半根棒中产生的感应电动势大小相同、方向相同（从边缘指向中心），相当于四个电动势和内阻相同的电池并联，得总的电动势和内电阻为E ＝E 1＝50 V ，r =2141⨯R 0＝0.1 Ω 当电键S 断开时，外电路开路，电流表示数为零，电压表示数等于电源电动势，为50 V. 当电键S ′接通时，全电路总电阻为 R ′=r +R =（0.1+3.9）Ω=4Ω.由全电路欧姆定律得电流强度（即电流表示数）为 I ＝450='+R r E A=12.5 A. 此时电压表示数即路端电压为U =E -Ir =50-12.5×0.1 V ＝48.75 V （电压表示数） 或U ＝IR ＝12.5×3.9 V ＝48.75 V.。