专题13-2-电磁感应中的动力学问题、能量问题、动量问题【讲】【学生版】.docx

专题13.2 电磁感应中的动力学问题、能量问题、动量问题【讲】
目录
一 讲核心素养 1
二 讲必备知识 1
【知识点一】电磁感应中的图像问题 1
【知识点二】电磁感应中的平衡和动力学问题 6
【知识点三】电磁感应中的动力学和能量问题 8
三．讲关键能力 11
【能力点一】会正确运用动量定理处理电磁感应中的问题 11
【能力点二】会正确运用动量守恒定律处理电磁感应中的问题 16

一 讲核心素养
1.物理观念：
①物质观：导体棒、斜面、导线框；
②运动观：匀变速直线运动、非匀变速直线运动；
③相互作用观：重力、弹力、摩擦力、安培力；
④能量观：内能、机械能、电能、焦耳热、动能定理。
2.科学思维：电磁感应规律的理解和应用。
能运用运动学、动力学、恒定电流、电磁感应和能量等知识解决导体棒、导线框的运动与能量、动量转化问题。
二 讲必备知识
【知识点一】电磁感应中的图像问题
电磁感应中常见的图象问题
图象类型
(1)随时间变化的图象，如B­t图象、Φ­t图象、E­t图象、I­t图象
(2)随位移变化的图象，如E­x图象、I­x图象
(所以要先看坐标轴：哪个物理量随哪个物理量变化要弄清)
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(画图象)
(2)由给定的有关图象分析电磁感应过程，求解相应的物理量(用图象)
应用知识
四个规律
左手定则、安培定则、右手定则、楞次定律
六类公式
(1)平均电动势E＝n
(2)平动切割电动势E＝Blv
(3)转动切割电动势E＝Bl2ω
(4)闭合电路欧姆定律I＝
(5)安培力F＝BIl
(6)牛顿运动定律的相关公式等
【例1】 (多选)(2021·1月广东学业水平选择考适应性测试，10)如图所示，绝缘的水平面上固定有两条平行的光滑金属导轨，导轨电阻不计，两相同金属棒a、b垂直导轨放置，其右侧矩形区域内存在恒定的匀强磁场，磁场方向竖直向上。现两金属棒分别以初速度2v0和v0同时沿导轨自由运动，先后进入磁场区域。已知a棒离开磁场区域时b棒已经进入磁场区域，则a棒从进入到离开磁场区域的过程中，电流i随时间t的变化图像可能正确的有(　　)

【素养升华】本题考察的学科素养主要是物理观念和科学思维。
【规律方法】1.解题关键
弄清初始条件、正负方向的对应变化范围、所研究物理量的函数表达式、进出磁场的转折点等是解决此类问题的关键。
2.解题步骤
(1)明确图像的种类，即是B－t图还是Φ－t图，或者E－t图、I－t图等。
(2)分析电磁感应的具体过程。
(3)用右手定则或楞次定律确定方向的对应关系。
(4)结合法拉第电磁感应定律、闭合电路欧姆定律、牛顿运动定律等知识写出相应的函数关系式。
(5)根据函数关系式，进行数学分析，如分析斜率的变化、截距等。
(6)画图像或判断图像。
3.常用方法
(1)排除法：定性地分析电磁感应过程中物理量的变化趋势(增大还是减小)、变化快慢(均匀变化还是非均匀变化)，特别是分析物理量的正负，以排除错误的选项。
(2)函数法：根据题目所给条件定量地写出两个物理量之间的函数关系，然后由函数关系对图像进行分析和判断。
【变式1】 (2021·1月辽宁普高校招生适应性测试，6)如图所示，“凹”字形金属线框右侧有一宽度为3L的匀强磁场区域，磁场方向垂直于纸面向里。线框在纸面内向右匀速通过磁场区域，t＝0时，线框开始进入磁场。设逆时针方向为感应电流的正方向，则线框中感应电流i随时间t变化的图像可能正确的是(　　)

【例2】(多选)如图甲所示，在水平面上固定一个匝数为10匝的等边三角形金属线框，总电阻为3 Ω，边长为0.4 m。金属框处于两个半径为0.1 m的圆形匀强磁场中，顶点A恰好位于左边圆的圆心，BC边的中点恰好与右边圆的圆心重合。左边磁场方向垂直纸面向外，右边磁场垂直纸面向里，磁感应强度的变化规律如图乙所示，则下列说法中正确的是(π取3)(　　)

甲　　　　　　　　　乙
A．线框中感应电流的方向是顺时针方向
B．t＝0.4 s时，穿过线框的磁通量为0.005 Wb
C．经过t＝0.4 s，线框中产生的热量为0.3 J
D．前0.4 s内流过线框某截面的电荷量为0.2 C
【素养升华】本题考察的学科素养主要是物理观念和科学思维。
【规律方法】“四明确、一理解”巧解图象问题

【变式训练】 (2021·山东六地市3月在线大联考)如图甲，一矩形金属线圈abcd垂直匀强磁场并固定于磁场中，磁场是变化的，磁感应强度B随时间t的变化关系图像如图乙所示，则线圈的ab边所受安培力F随时间t变化的图像是图中的(规定向右为安培力F的正方向)(　　)

【知识点二】电磁感应中的平衡和动力学问题
1.题型简述
感应电流在磁场中受到安培力的作用，因此电磁感应问题往往跟力学问题联系在一起。解决这类问题需要综合应用电磁感应规律(法拉第电磁感应定律、楞次定律)及力学中的有关规律(共点力的平衡条件、牛顿运动定律、动能定理等)。
2.处理方法
状态
特征
处理方法
平衡态
加速度为零
根据平衡条件列式分析
非平衡态
加速度不为零
根据牛顿第二定律进行动态分析或结合功能关系进行分析
【例2】(2021·重庆市模拟)如图所示，两平行且无限长光滑金属导轨MN、PQ与水平面的夹角为θ＝30°，两导轨之间的距离为L＝1 m，两导轨M、P之间接入电阻R＝0.2 Ω，导轨电阻不计，在abdc区域内有一个方向垂直于两导轨平面向下的磁场Ⅰ，磁感应强度B0＝1 T，磁场的宽度x1＝1 m；在cd连线以下区域有一个方向也垂直于导轨平面向下的磁场Ⅱ，磁感应强度B1＝0.5 T。一个质量为m＝1 kg的金属棒垂直放在金属导轨上，与导轨接触良好，金属棒的电阻r＝0.2 Ω，若金属棒在离ab连线上端x0处自由释放，则金属棒进入磁场 Ⅰ 恰好做匀速运动。金属棒进入磁场Ⅱ后，经过ef时又达到稳定状态，cd与ef之间的距离x2＝8 m。求：(g取10 m/s2)

(1)金属棒在磁场Ⅰ运动的速度大小；
(2)金属棒滑过cd位置时的加速度大小；
(3)金属棒在磁场Ⅱ中达到稳定状态时的速度大小。

【素养升华】本题考察的学科素养主要是科学思维。
【技巧总结】用“四步法”分析电磁感应中的动力学问题

【变式训练】如图所示，两固定的绝缘斜面倾角均为θ，上沿相连。两细金属棒ab(仅标出a端)和cd(仅标出c端)长度均为L，质量分别为2m和m；用两根不可伸长的柔软轻导线将它们连成闭合回路abdca，并通过固定在斜面上沿的两光滑绝缘小定滑轮跨放在斜面上，使两金属棒水平。右斜面上存在匀强磁场，磁感应强度大小为B，方向垂直于斜面向上。已知两根导线刚好不在磁场中，回路电阻为R，两金属棒与斜面间的动摩擦因数均为μ，重力加速度大小为g。已知金属棒ab匀速下滑。求：

(1)作用在金属棒ab上的安培力的大小；
(2)金属棒运动速度的大小。

【知识点三】电磁感应中的动力学和能量问题
1．电磁感应中的能量转化

2．求解焦耳热Q的三种方法

3．求解电磁感应现象中能量问题的一般步骤
(1)在电磁感应中，切割磁感线的导体或磁通量发生变化的回路将产生感应电动势，该导体或回路就相当于电源。
(2)分析清楚有哪些力做功，就可以知道有哪些形式的能量发生了相互转化。
(3)根据能量守恒列方程求解。
【例3】(2021·1月河北学业水平选择性考试模拟演练，13)如图甲所示，两条足够长的平行金属导轨间距为0.5 m，固定在倾角为37°的斜面上。导轨顶端连接一个阻值为1 Ω的电阻。在MN下方存在方向垂直于斜面向上、大小为1 T的匀强磁场。质量为0.5 kg的金属棒从AB处由静止开始沿导轨下滑，其运动过程中的v－t图象如图乙所示。金属棒运动过程中与导轨保持垂直且接触良好，不计金属棒和导轨的电阻，取g＝10 m/s2，sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8。

(1)求金属棒与导轨间的动摩擦因数；
(2)求金属棒在磁场中能够达到的最大速率；
(3)已知金属棒从进入磁场到速度达到5 m/s时通过电阻的电荷量为1.3 C，求此过程中电阻产生的焦耳热。

【素养升华】本题考察的学科素养主要是科学思维。
【规律方法】1.题型简述
电磁感应过程的实质是不同形式的能量转化的过程，而能量的转化是通过安培力做功来实现的。安培力做功的过程，是电能转化为其他形式的能的过程；外力克服安培力做功的过程，则是其他形式的能转化为电能的过程。
2.解题步骤
(1)确定研究对象(导体棒或回路)。
(2)弄清电磁感应过程中，哪些力做功，哪些形式的能量相互转化。
(3)根据能量守恒定律或功能关系列式求解。
【变式训练1】(2021·广东广州名校联考)小明设计的电磁健身器的简化装置如图所示，两根平行金属导轨相距l＝0.50 m，倾角θ＝53°，导轨上端串接一个R＝0.05 Ω的电阻。在导轨间长d＝0.56 m的区域内，存在方向垂直导轨平面向下的匀强磁场，磁感应强度B＝2.0 T。质量m＝4.0 kg的金属棒CD水平置于导轨上，用绝缘绳索通过定滑轮与拉杆GH相连。CD棒的初始位置与磁场区域的下边界相距x＝0.24 m。一位健身者用恒力F＝80 N拉动GH杆，CD棒由静止开始运动，上升过程中CD棒始终保持与导轨垂直。当CD棒到达磁场上边界时健身者松手，触发恢复装置使CD棒回到初始位置(重力加速度g＝10 m/s2，sin 53°＝0.8，不计其他电阻、摩擦力以及拉杆和绳索的质量)。求：

(1)CD棒进入磁场时速度v的大小；
(2)CD棒进入磁场时所受的安培力FA的大小；
(3)在拉升CD棒的过程中，健身者所做的功W和电阻产生的焦耳热Q。
三．讲关键能力
【能力点一】会正确运用动量定理处理电磁感应中的问题
用动量定理解决电磁感应问题的常见模型及分析
常见情景(导轨和杆电阻不计，以水平光滑导轨为例)
过程分析
三大观点的应用
单杆阻尼式

设运动过程中某时刻的速度为v，加速度为a，a＝，a、v反向，导体棒做减速运动，v↓⇒a↓，当a＝0时，v＝0，导体棒做加速度减小的减速运动，最终静止
动力学观点：分析加速度
能量观点：动能转化为焦耳热
动量观点：分析导体棒运动的位移、时间和通过的电荷量
单杆发电式

导体棒从静止开始运动，设运动过程中某时刻导体棒的速度为v，加速度为a＝－，F恒定时，a、v同向，随v的增加，a减小，当a＝0时，v最大，vm＝；a恒定时，F＝＋ma，F与t为一次函数关系
动力学观点：分析最大加速度、最大速度
能量观点：力F做的功等于导体棒的动能与回路中焦耳热之和
动量观点：分析导体棒的位移、通过的电荷量
含“源”电动式(v0＝0)

开关S刚闭合时，ab杆所受安培力F＝，此时a＝.速度v↑⇒E感＝BLv↑⇒I↓⇒F＝BIL↓⇒加速度a↓，当E感＝E时，v最大，且vm＝
动力学观点：分析最大加速度、最大速度
能量观点：消耗的电能转化为动能与回路中的焦耳热
动量观点：分析导体棒的位移、通过的电荷量
不等距导轨

a棒减速，b棒加速，E＝BL1va－BL2vb由va↓vb↑⇒E↓⇒
F安↓⇒a↓，当BL1va＝BL2vb时，a＝0，两棒匀速
动力学观点：最终速度
能量观点：动能转化为焦耳热
动量观点：
BIL1t＝mv0－mva
BIL2t＝mvb－0
【例1】 (2021·山东济南市高考模拟)如图所示，足够长的光滑平行金属导轨MN、PQ倾斜放置，两导轨间距d＝0.5 m，导轨平面与水平面的夹角为θ＝30°，导轨N、Q两端连接阻值R＝10 Ω的电阻。导轨平面内分布着有界匀强磁场区域Ⅰ和Ⅱ，磁场方向均垂直于导轨平面向上，区域Ⅰ的上边界距导轨M、P端x1＝0.9 m，上、下边界之间的距离x2＝0.35 m，下边界与区域Ⅱ的上边界之间的距离x3＝1.2 m，区域Ⅰ的磁感应强度大小B1＝10 T，区域Ⅱ的磁感应强度大小B2＝5 T。质量m＝0.5 kg的金属棒垂直导轨放置，与两导轨接触良好。将金属棒从M、P端由静止释放，进入区域Ⅱ时恰好做匀速运动，取g＝10 m/s2，不计金属棒及导轨的电阻。求：

(1)金属棒进入磁场区域Ⅱ时的速度；
(2)金属棒经过磁场区域Ⅰ所用的时间。
【素养升华】本题考察的学科素养主要是科学思维。
【方法提炼】在电磁感应中，动量定理应用于单杆切割磁感线运动，可求解变力的作用时间、速度、位移和电荷量．
(1)求速度或电荷量：BlΔt＝mv2－mv1，q＝Δt.
(2)求位移：－＝0－mv0，即－＝0－mv0
(3)求时间：①－BlΔt＋F其他t＝mv2－mv1
即－Blq＋F其他t＝mv2－mv1
已知电荷量q，F其他为恒力，可求出变加速运动的时间．
②＋F其他t＝mv2－mv1，Δt＝x.
若已知位移x，F其他为恒力，也可求出变加速运动的时间．
【变式训练1】(多选)(2021·山东济宁市期末质量检测)如图所示，平行光滑金属导轨固定在竖直面内，导轨间距为1 m，上端连接阻值为2 Ω的定值电阻，虚线的上方存在垂直纸面向外的匀强磁场，磁感应强度大小为2 T，质量为1 kg的导体棒套在金属导轨上与导轨接触良好，现给导体棒一个向上的初速度，当其刚好越过虚线时速度为20 m/s，导体棒运动到虚线上方1 m处速度减为零，此后导体棒向下运动，到达虚线前速度已经达到恒定，整个运动过程中导体棒始终保持水平。导轨和导体棒的电阻均忽略不计，取g＝10 m/s2。下列说法正确的是(　　)

A.导体棒的最大加速度为50 m/s2
B.导体棒上升过程中流过定值电阻的电荷量为4 C
C.导体棒下落到虚线时的速度大小为5 m/s
D.导体棒从越过虚线到运动到最高点所需的时间为1.8 s
【变式训练2】 (2021·山东青岛市统一质量检测)如图所示，平行金属导轨由水平部分和倾斜部分组成，倾斜部分是两个竖直放置的四分之一圆弧导轨，圆弧半径r＝0.2 m。水平部分是两段均足够长但不等宽的光滑导轨，CC′＝3AA′＝0.6 m，水平导轨与圆弧导轨在AA′平滑连接。整个装置处于方向竖直向上的匀强磁场中，磁感应强度B＝1 T，导体棒MN、PQ的质量分别为m1＝0.2 kg、m2＝0.6 kg，长度分别为l1＝0.2 m、l2＝0.6 m，电阻分别为R1＝1.0 Ω、R2＝3.0 Ω，PQ固定在宽水平导轨上。现给导体棒MN一个初速度，使其恰好沿圆弧导轨从最高点匀速下滑，到达圆弧最低处AA′位置时，MN克服安培力做功的瞬时功率为0.04 W，重力加速度g＝10 m/s2，不计导轨电阻，导体棒MN、PQ与导轨一直接触良好。求：

(1)导体棒MN到达圆弧导轨最低处AA′位置时对轨道的压力大小；
(2)导体棒MN沿圆弧导轨下滑过程中，MN克服摩擦力做的功(保留3位有效数字)；
(3)若导体棒MN到达AA′位置时释放PQ，之后的运动过程中通过回路某截面的电荷量q。
【能力点二】会正确运用动量守恒定律处理电磁感应中的问题
常见情景及解题思路
双杆切割式(导轨光滑)

杆MN做变减速运动．杆PQ做变加速运动，稳定时，两杆的加速度均为零，以相等的速度匀速运动．系统动量守恒，对其中某杆可用动量定理
动力学观点：求加速度
能量观点：求焦耳热
动量观点：整体动量守恒求末速度，单杆动量定理求冲量、电荷量

【例2】(2021·山东济南市期末学习质量评估)如图所示，光滑平行金属导轨的水平部分处于竖直向下的匀强磁场中，磁感应强度B＝3 T。两导轨间距为L＝0.5 m，轨道足够长。金属棒a和b的质量分别为ma＝1 kg，mb＝0.5 kg，电阻分别为Ra＝1 Ω，Rb＝2 Ω。b棒静止于轨道水平部分，现将a棒从h＝1.8 m高处自静止沿弧形轨道下滑，通过C点进入轨道的水平部分，已知两棒在运动过程中始终保持与导轨垂直且接触良好，两棒始终不相碰。g取10 m/s2。求：

(1)a棒刚进入磁场时，b棒的加速度；
(2)从a棒进入磁场到a棒匀速的过程中，流过a棒的电荷量；
(3)从a棒进入磁场到a棒匀速的过程中，a棒中产生的焦耳热。
【素养升华】本题考察的学科素养主要是科学思维。
【规律总结】1.问题特点
对于双导体棒运动的问题，通常是两棒与导轨构成一个闭合回路，当其中一棒在外力作用下获得一定速度时必然在磁场中切割磁感线，在该闭合回路中形成一定的感应电流；另一根导体棒在磁场中在安培力的作用下开始运动，一旦运动起来也将切割磁感线产生一定的感应电动势，对原来电流的变化起阻碍作用。
2.方法技巧
解决此类问题时通常将两棒视为一个整体，于是相互作用的安培力是系统的内力，这个变力将不影响整体的动量守恒。因此解题的突破口是巧妙选择系统，运用动量守恒(动量定理)和功能关系求解。
【变式训练1】(多选)(2021·湖北华中师大第一附中期中)如图所示，在水平面内两根间距为L、足够长的光滑平行金属导轨(电阻不计)水平放置。导轨间存在方向竖直向上、大小为B的匀强磁场。两平行金属杆ab、cd的质量分别为m1、m2，电阻分别为R1、R2，且始终与导轨保持垂直。开始两金属杆处于静止状态，相距为x0，现给金属杆ab一水平向右的初速度v0，一段时间后，两金属杆间距稳定为x1。下列说法正确的是(　　)

A.金属杆cd先做匀加速直线运动，后做匀速直线运动
B.当金属杆ab的加速度大小为a时，金属杆cd的加速度大小为a
C.这段时间内通过金属杆cd的电荷量为
D.两金属杆ab、cd在运动过程中产生的焦耳热为
【变式训练2】(多选)(2021·湖北七市州教科研协作体5月联考)如图所示，相距L的光滑金属导轨，半径为R的圆弧部分竖直放置，平直部分固定于水平地面上，MNQP范围内有方向竖直向下、磁感应强度为B的匀强磁场。金属棒ab和cd垂直导轨且接触良好，cd静止在磁场中；ab从圆弧导轨的顶端由静止释放，进入磁场后与cd没有接触，cd离开磁场时的速度是此刻ab速度的一半，已知ab的质量为m、电阻为r，cd的质量为2m、电阻为2r。金属导轨电阻不计，重力加速度为g。下列说法正确的有(　　)

A.cd在磁场中运动时电流的方向为c→d
B.cd在磁场中做加速度减小的加速运动
C.cd在磁场中运动的过程中流过的电荷量为
D.cd在磁场中运动过程，cd上产生的焦耳热为mgR