高考物理一輪復(fù)習(xí)第9章專題課2電磁感應(yīng)中的動力學(xué)問題和能量動量問題課件.pptx

專題課2電磁感應(yīng)中的動力學(xué)問題和能量 動量問題 電磁感應(yīng)中的動力學(xué)問題 1 兩種狀態(tài)及處理方法 2 電學(xué)對象與力學(xué)對象的轉(zhuǎn)換及關(guān)系 命題角度1導(dǎo)體棒處于靜止?fàn)顟B(tài) 例1 2017 天津理綜 3 如圖1所示 兩根平行金屬導(dǎo)軌置于水平面內(nèi) 導(dǎo)軌之間接有電阻R 金屬棒ab與兩導(dǎo)軌垂直并保持良好接觸 整個裝置放在勻強磁場中 磁場方向垂直于導(dǎo)軌平面向下 現(xiàn)使磁感應(yīng)強度隨時間均勻減小 ab始終保持靜止 下列說法正確的是 圖1 A ab中的感應(yīng)電流方向由b到aB ab中的感應(yīng)電流逐漸減小C ab所受的安培力保持不變D ab所受的靜摩擦力逐漸減小 答案D 例2 多選 一空間有垂直紙面向里的勻強磁場B 兩條電阻不計的平行光滑導(dǎo)軌豎直放置在磁場內(nèi) 如圖2所示 磁感應(yīng)強度B 0 5T 導(dǎo)體棒ab cd長度均為0 2m 電阻均為0 1 重力均為0 1N 現(xiàn)用力向上拉動導(dǎo)體棒ab 使之勻速上升 導(dǎo)體棒ab cd與導(dǎo)軌接觸良好 此時cd靜止不動 則ab上升時 下列說法正確的是 命題角度2導(dǎo)體棒做勻速運動 圖2 A ab受到的拉力大小為2NB ab向上運動的速度為2m sC 在2s內(nèi) 拉力做功 有0 4J的機械能轉(zhuǎn)化為電能D 在2s內(nèi) 拉力做功為0 6J 答案BC 例3 如圖3所示 足夠長的平行金屬導(dǎo)軌MN和PQ表面粗糙 與水平面間的夾角為 37 sin37 0 6 間距為1m 垂直于導(dǎo)軌平面向上的勻強磁場的磁感應(yīng)強度的大小為4T P M間所接電阻的阻值為8 質(zhì)量為2kg的金屬桿ab垂直導(dǎo)軌放置 不計桿與導(dǎo)軌的電阻 桿與導(dǎo)軌間的動摩擦因數(shù)為0 25 金屬桿ab在沿導(dǎo)軌向下且與桿垂直的恒力F作用下 由靜止開始運動 桿的最終速度為8m s 取g 10m s2 求 命題角度3變加速直線運動問題 圖3 1 當(dāng)金屬桿的速度為4m s時 金屬桿的加速度大小 2 當(dāng)金屬桿沿導(dǎo)軌的位移為6 0m時 通過金屬桿的電荷量 解析 1 對金屬桿ab應(yīng)用牛頓第二定律 有F mgsin F安 f ma f FN FN mgcos ab桿所受安培力大小為F安 BILab桿切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為E BLv 代入vm 8m s時a 0 解得F 8N代入v 4m s及F 8N 解得a 4m s2 2 設(shè)通過回路橫截面的電荷量為q 則q It 回路中的磁通量變化量為 BLx 聯(lián)立解得q 3C答案 1 4m s2 2 3C 用 四步法 分析電磁感應(yīng)中的動力學(xué)問題解決電磁感應(yīng)中的動力學(xué)問題的一般思路是 先電后力 具體思路如下 電磁感應(yīng)中的動力學(xué)和能量問題 1 電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化 2 求解焦耳熱Q的三種方法 例4 2016 浙江理綜 小明設(shè)計的電磁健身器的簡化裝置如圖4所示 兩根平行金屬導(dǎo)軌相距l(xiāng) 0 50m 傾角 53 導(dǎo)軌上端串接一個0 05 的電阻 在導(dǎo)軌間長d 0 56m的區(qū)域內(nèi) 存在方向垂直導(dǎo)軌平面向下的勻強磁場 磁感應(yīng)強度B 2 0T 質(zhì)量m 4 0kg的金屬棒CD水平置于導(dǎo)軌上 用絕緣繩索通過定滑輪與拉桿GH相連 CD棒的初始位置與磁場區(qū)域的下邊界相距s 0 24m 一位健身者用恒力F 80N拉動GH桿 CD棒由靜止開始運動 上升過程中CD棒始終保持與導(dǎo)軌垂直 當(dāng)CD棒到達磁場上邊界時健身者松手 觸發(fā)恢復(fù)裝置使CD棒回到初始位置 重力加速度g 10m s2 sin53 0 8 不計其他電阻 摩擦力以及拉桿和繩索的質(zhì)量 求 圖4 1 CD棒進入磁場時速度v的大小 2 CD棒進入磁場時所受的安培力的大小 3 在拉升CD棒的過程中 健身者所做的功W和電阻產(chǎn)生的焦耳熱Q 2 感應(yīng)電動勢E Blv 安培力FA IBl 3 健身者做功W F s d 64J 由牛頓第二定律得F mgsin FA 0 焦耳熱Q I2Rt 26 88J 答案 1 2 4m s 2 48N 3 64J26 88J 變式訓(xùn)練1 如圖5所示 在高度差h 0 5m的平行虛線范圍內(nèi) 有磁感應(yīng)強度B 0 5T 方向垂直于豎直平面向里的勻強磁場 正方形線框abcd的質(zhì)量m 0 1kg 邊長L 0 5m 電阻R 0 5 線框平面與豎直平面平行 靜止在位置 時 cd邊跟磁場下邊緣有一段距離 現(xiàn)用一豎直向上的恒力F 4 0N向上提線框 線框由位置 無初速度開始向上運動 穿過磁場區(qū) 最后到達位置 ab邊恰好出磁場 線框平面在運動中保持與磁場方向垂直 且cd邊保持水平 設(shè)cd邊剛進入磁場時 線框恰好開始做勻速直線運動 g取10m s2 圖5 1 求線框進入磁場前距磁場下邊界的距離H 2 線框由位置 到位置 的過程中 恒力F做的功是多少 線框內(nèi)產(chǎn)生的熱量又是多少 解析 1 在恒力作用下 線框開始向上做勻加速直線運動 設(shè)線框的加速度為a 據(jù)牛頓第二定律有 F mg ma設(shè)cd邊剛進磁場時 線框速度設(shè)為v1 線框從靜止到cd邊剛進磁場過程中 由運動學(xué)方程有 cd邊剛進磁場時產(chǎn)生電動勢E BLv 感應(yīng)電流 安培力F安 BIL 線框做勻速直線運動 則有F F安 mg 由v2 2aH解得H 9 6m 2 恒力F做的功W F H L h 42 4J 從cd邊進入磁場到ab邊離開磁場的過程中 拉力所做的功等于線框增加的重力勢能和產(chǎn)生的熱量Q 即F L h mg L h Q 解得 Q F mg L h 3 0J 答案 1 9 6m 2 42 4J3 0J 電磁感應(yīng)中的動量和能量觀點的綜合應(yīng)用 1 應(yīng)用動量定理可以由動量變化來求解變力的沖量 如在導(dǎo)體棒做非勻變速運動的問題中 應(yīng)用動量定理可以解決牛頓運動定律不易解答的問題 2 在相互平行的水平軌道間的雙棒做切割磁感線運動時 由于這兩根導(dǎo)體棒所受的安培力等大反向 合外力為零 若不受其他外力 兩導(dǎo)體棒的總動量守恒 解決此類問題往往要應(yīng)用動量守恒定律 例5 2017 11月浙江選考 如圖6所示 匝數(shù)N 100 截面積S 1 0 10 2m2 電阻r 0 15 的線圈內(nèi)有方向垂直于線圈平面向上的隨時間均勻增加的勻強磁場B1 其變化率k 0 80T s 線圈通過開關(guān)S連接兩根相互平行 間距d 0 20m的豎直導(dǎo)軌 下端連接阻值R 0 50 的電阻 一根阻值也為0 50 質(zhì)量m 1 0 10 2kg的導(dǎo)體棒ab擱置在等高的擋條上 在豎直導(dǎo)軌間的區(qū)域僅有垂直紙面的不隨時間變化的勻強磁場B2 接通開關(guān)S后 棒對擋條的壓力恰好為零 假設(shè)棒始終與導(dǎo)軌垂直 且與導(dǎo)軌接觸良好 不計摩擦阻力和導(dǎo)軌電阻 圖6 1 求磁感應(yīng)強度B2的大小 并指出磁場方向 2 斷開開關(guān)S后撤去擋條 棒開始下滑 經(jīng)t 0 25s后下降了h 0 29m 求此過程棒上產(chǎn)生的熱量 代入數(shù)據(jù)得E 0 8V 由楞次定律判斷可知 電流從左邊流入 右邊流出 等效電路圖如下 根據(jù)題意 此刻棒對擋條的壓力為零 即金屬棒所受安培力等于其重力 即B2Iabd mg 解得B2 0 50T 根據(jù)左手定則可知磁場的方向應(yīng)該垂直紙面向外 2 開關(guān)斷開之后 撤去擋條 ab下滑中切割磁感線 從而產(chǎn)生感應(yīng)電流 根據(jù)動量定理 得 mg B2Id t mv 0 聯(lián)立上式可知v 2 21m s 求得W 4 58 10 3J 因此金屬棒上產(chǎn)生熱量為 答案 1 0 5T 磁場垂直紙面向外 2 2 29 10 3J 1 若涉及變力作用下運動問題 可選用動量守恒和能量守恒的方法解決 2 若涉及恒力或恒定加速度 一般選用動力學(xué)的觀點 若涉及運動時間問題也可選用動量定理求解 圖7 提示 可以用F x圖象下的 面積 代表力F所做的功 1 棒ab運動到x1 0 2m時的速度v1 2 棒ab運動到x2 0 1m時的速度v2 3 電容器最終所帶的電荷量Q 解析 1 從x0 x1的過程 由于安培力為恒力 安培力F BIL 2 在區(qū)間 0 2m x 0 2m安培力F 5xIL如圖所示 安培力做功 3 從0 2m處移到 0 2m處安培力不做功 v3 v1 2m s設(shè)最后穩(wěn)定時的速度為v則導(dǎo)體棒兩端電壓U BLv 由動能定理得 電容器上所帶電荷量q CU電路中通過的電荷量q It根據(jù)動量定理 BILt mv mv3 模型一 單桿 導(dǎo)軌 模型1 單桿水平式 導(dǎo)軌光滑 科學(xué)思維 電磁感應(yīng)中的 桿 導(dǎo)軌 模型 2 單桿傾斜式 導(dǎo)軌光滑 例1 如圖8所示 足夠長的金屬導(dǎo)軌固定在水平面上 金屬導(dǎo)軌寬度L 1 0m 導(dǎo)軌上放有垂直導(dǎo)軌的金屬桿P 金屬桿質(zhì)量為m 0 1kg 空間存在磁感應(yīng)強度B 0 5T 豎直向下的勻強磁場 連接在導(dǎo)軌左端的電阻R 3 0 金屬桿的電阻r 1 0 其余部分電阻不計 某時刻給金屬桿一個水平向右的恒力F 金屬桿P由靜止開始運動 圖乙是金屬桿P運動過程的v t圖象 導(dǎo)軌與金屬桿間的動摩擦因數(shù) 0 5 在金屬桿P運動的過程中 第一個2s內(nèi)通過金屬桿P的電荷量與第二個2s內(nèi)通過P的電荷量之比為3 5 g取10m s2 求 圖8 1 水平恒力F的大小 2 前4s內(nèi)電阻R上產(chǎn)生的熱量 解析 1 由圖乙可知金屬桿P先做加速度減小的加速運動 2s后做勻速直線運動當(dāng)t 2s時 v 4m s 此時感應(yīng)電動勢E BLv 根據(jù)牛頓運動定律有F F mg 0解得F 0 75N 設(shè)第一個2s內(nèi)金屬桿P的位移為x1 第二個2s內(nèi)P的位移為x2則 1 BLx1 2 BLx2 BLvt又由于q1 q2 3 5聯(lián)立解得x2 8m x1 4 8m前4s內(nèi)由能量守恒定律得 其中Qr QR r R 1 3解得QR 1 8J 答案 1 0 75N 2 1 8J 模型二 雙桿