1、高考北京版高考物理 专题十二 电磁感应专题十二电磁感应挖命题【考情探究】考点考向5年考情预测热度考题示例学业水平关联考点素养要素电磁感应现象磁通量电磁感应现象2015北京理综,20,6分3电磁感应现象的产生条件科学探究感应电流方向的判断楞次定律2016北京理综,16,6分3法拉第电磁感应定律科学推理右手定则2013北京理综,17,6分3感应电动势科学推理法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律2016北京理综,16,6分3楞次定律科学推理导体棒切割磁感线2015北京理综,22,16分3电流、安培力的冲量、路端电压模型建构电磁感应中求解回路中电荷量的大小电磁感应中的能量转化2017北京理综,24,2
2、0分4洛伦兹力科学推理自感自感和互感2017北京理综,19,6分3自感现象的判断科学探究涡流反电动势分析解读近几年内对本专题的内容都有考查,考查涉及电磁感应现象及其产生条件、楞次定律、右手定则、法拉第电磁感应定律以及相关的电路问题、动力学问题、能量转化问题、自感问题等多个方面,体现出这个专题的考查综合性,难度和区分度较高,题目呈现为选择题、实验题、计算题等多样性,主要考查考生的情景分析和理解能力、提取信息能力、应用基本规律分析和推理计算的能力,有些题目源于课本,但问题往往深入到知识的深层次,考查对物理知识本质的深刻认识层面,预计今后的高考中这种考查形式和方向还会继续。【真题典例】破考点【考点集
3、训】考点一电磁感应现象1.如图所示,将铜片悬挂在电磁铁的两极间,形成一个摆。在电磁铁线圈未通电时,铜片可以自由摆动,忽略空气阻力及转轴摩擦的作用。当电磁铁通电后,电磁铁两极间可视为匀强磁场,忽略磁场边缘效应。关于通电后铜片的摆动过程,以下说法正确的是()A.由于铜片不会受到电磁铁的吸引,所以铜片向右穿过磁场后,还能摆至原来的高度B.铜片进入磁场的瞬间,铜片一定立即减速C.铜片在进入和离开磁场时,由于电磁感应,均有感应电流产生D.铜片进入磁场的过程是机械能转化为电能的过程,离开磁场的过程是电能转化为机械能的过程答案C2.与一般吉他(以箱体的振动发声)不同,电吉他靠拾音器发声。如图所示,拾音器由磁
4、体及绕在其上的线圈组成。磁体产生的磁场使钢质琴弦磁化而产生磁性,即琴弦也产生自己的磁场。当某根琴弦被拨动而相对线圈振动时,线圈中就会产生相应的电流,并最终还原为声音信号。下列说法中正确的是()A.若磁体失去磁性,电吉他仍能正常工作B.换用尼龙材质的琴弦,电吉他仍能正常工作C.琴弦振动的过程中,线圈中电流的方向不会发生变化D.拾音器的作用是利用电磁感应把琴弦的振动转化成电信号答案D3.某同学想用如图所示装置探究感应电流产生的条件,ab是一根导体棒,通过导线、开关连接在灵敏电流计的两个接线柱上。实验前,该同学对可能产生感应电流的情况做出了以下总结,关于该同学的说法正确的是()A.开关闭合的瞬间,灵
5、敏电流计的指针会发生偏转B.开关断开的瞬间,灵敏电流计的指针会发生偏转C.开关闭合后,ab棒左右运动的过程中灵敏电流计的指针会发生偏转D.开关闭合后,ab棒上下运动的过程中灵敏电流计的指针会发生偏转答案C考点二感应电流方向的判断4.如图甲所示,20匝的线圈两端M、N与一个电压表相连,线圈内有指向纸内的磁场,线圈中的磁通量在按图乙所示规律变化。下列说法正确的是()A.线圈中产生的感生电流沿顺时针方向B.电压表的正接线柱接线圈的N端C.线圈中磁通量的变化率为1.5 Wb/sD.电压表的读数为10 V答案D5.(2016课标,20,6分)(多选)法拉第圆盘发电机的示意图如图所示。铜圆盘安装在竖直的铜
6、轴上,两铜片P、Q分别与圆盘的边缘和铜轴接触。圆盘处于方向竖直向上的匀强磁场B中。圆盘旋转时,关于流过电阻R的电流,下列说法正确的是()A.若圆盘转动的角速度恒定,则电流大小恒定B.若从上向下看,圆盘顺时针转动,则电流沿a到b的方向流动C.若圆盘转动方向不变,角速度大小发生变化,则电流方向可能发生变化D.若圆盘转动的角速度变为原来的2倍,则电流在R上的热功率也变为原来的2倍答案AB6.(2016浙江理综,16,6分)如图所示,a、b两个闭合正方形线圈用同样的导线制成,匝数均为10匝,边长la=3lb,图示区域内有垂直纸面向里的匀强磁场,且磁感应强度随时间均匀增大,不考虑线圈之间的相互影响,则(
7、)A.两线圈内产生顺时针方向的感应电流B.a、b线圈中感应电动势之比为91C.a、b线圈中感应电流之比为34D.a、b线圈中电功率之比为31答案B考点三法拉第电磁感应定律7.(2017课标,20,6分)(多选)两条平行虚线间存在一匀强磁场,磁感应强度方向与纸面垂直。边长为0.1 m、总电阻为0.005 的正方形导线框abcd位于纸面内,cd边与磁场边界平行,如图(a)所示。已知导线框一直向右做匀速直线运动,cd边于t=0时刻进入磁场。线框中感应电动势随时间变化的图线如图(b)所示(感应电流的方向为顺时针时,感应电动势取正)。下列说法正确的是()A.磁感应强度的大小为0.5 TB.导线框运动速度
8、的大小为0.5 m/sC.磁感应强度的方向垂直于纸面向外D.在t=0.4 s至t=0.6 s这段时间内,导线框所受的安培力大小为0.1 N答案BC8.如图所示,平行金属导轨水平放置,宽度L=0.30 m,一端连接R=0.50 的电阻。导轨所在空间存在竖直向下的匀强磁场,磁感应强度B=0.20 T。导体棒MN放在导轨上,其长度恰好等于导轨间距,与导轨接触良好。导轨和导体棒的电阻均可忽略不计。现使导体棒MN沿导轨向右匀速运动,速度v=5.0 m/s。求:(1)导体棒MN切割磁感线产生的感应电动势E;(2)导体棒MN所受安培力F的大小;(3)感应电流的功率P。答案(1)0.30 V(2)0.036
9、N(3)0.18 W考点四自感9.如图所示,将两端刮掉绝缘漆的导线绕在一把锉刀上,一端接上电池(电池另一极与锉刀接触),手执导线的另一端,在锉刀上来回划动,由于锉刀表面凹凸不平,就会产生电火花。下列说法正确的是()A.产生电火花的回路只由导线与电池组成B.如导线端只向一个方向划动也能产生电火花C.锉刀采用什么材料制成对实验没有影响D.导线端划动的方向决定了自感电动势的方向答案B10.如图所示,李辉用多用电表的欧姆挡测量一个变压器线圈的电阻,以判断它是否断路。刘伟为了使李辉操作方便,用两手分别握住线圈裸露的两端让李辉测量。测量时表针摆过了一定角度,李辉由此确认线圈没有断路。正当李辉把多用电表的表
10、笔与被测线圈脱离时,刘伟突然惊叫起来,觉得有电击感。下列说法正确的是()A.刘伟被电击时变压器线圈中的电流瞬间变大B.刘伟有电击感是因为两手之间瞬间有高电压C.刘伟受到电击的同时多用电表也可能被烧坏D.实验过程中若李辉两手分别握住红黑表笔的金属杆,他也会受到电击答案B11.如图所示的电路为演示自感现象的电路图,其中R0为定值电阻,电源电动势为E,内阻为r,小灯泡的灯丝电阻为R(可视为不变),电感线圈的自感系数为L、电阻为RL。电路接通并达到稳定状态后,断开开关S,可以看到灯泡先是“闪亮”(比开关断开前更亮)一下,然后才逐渐熄灭,但实验发现“闪亮”现象并不明显。为了观察到断开开关S时灯泡比开关断
11、开前有更明显的“闪亮”现象,下列措施中一定可行的是()A.撤去电感线圈中的铁芯,使L减小B.更换电感线圈中的铁芯,使L增大C.更换电感线圈,保持L不变,使RL增大D.更换电感线圈,保持L不变,使RL减小答案D炼技法【方法集训】方法1感应电动势E=BLv的四种推导方法1.在电磁感应现象中,感应电动势分为动生电动势和感生电动势两种。产生感应电动势的那部分导体就相当于“电源”,在“电源”内部非静电力做功将其他形式的能转化为电能。(1)利用图甲所示的电路可以产生动生电动势。设匀强磁场的磁感应强度为B ,导体棒ab的长度为L,在外力作用下以速度v水平向右匀速运动。请从法拉第电磁感应定律出发推导动生电动势
12、E的表达式; 甲乙丙(2)磁场变化时会在空间激发感生电场,该电场与静电场不同,其电场线是一系列同心圆,如图乙中的虚线所示。如果此刻空间存在导体,就会在导体中产生感应电流。如图丙所示,一半径为r、单位长度电阻为R0的金属导体环垂直放置在匀强磁场中,当磁场均匀增强时,导体环中产生的感应电流为I。请你判断导体环中感应电流的方向(俯视),并求出磁感应强度随时间的变化率;(3)请指出在(1)(2)两种情况下,“电源”内部的非静电力分别是哪一种作用力,并分析说明在感生电场中能否像静电场一样建立“电势”的概念。答案(1)根据法拉第电磁感应定律可得感应电动势E=设导体棒向右运动了t时间,则这段时间内磁通量的变
13、化量=BLvt联立式可得: E=BLv(2)根据楞次定律可以判断导体环中感应电流的方向为顺时针方向(俯视)。根据法拉第电磁感应定律,电路产生的感生电动势E=r2导体环的总电阻R=2rR0根据闭合电路欧姆定律,电路中的电流I=联立式可得: =(3)在(1)中非静电力是洛伦兹力沿导体棒方向的分力;在(2)中非静电力是感生电场力。在感生电场中不能建立“电势”的概念。因为在感生电场中电荷沿电场线运动一周,感生电场力做功不为零,即感生电场力做功与路径有关,故无法建立“电势能”的概念,也就无法建立“电势”的概念。2.麦克斯韦电磁场理论认为:变化的磁场会在其周围空间激发一种电场,这种电场与静电场不同,称为感
14、生电场或涡旋电场,如图甲所示。图甲(1)若图甲中磁场的磁感应强度B随时间t按B=B0+kt(B0、k均为正常数)规律变化,形成涡旋电场的电场线是一系列同心圆,单个圆上形成的电场场强大小处处相等。将一个半径为r的闭合环形导体置于相同半径的电场线位置处,导体中的自由电荷就会在感生电场的作用下做定向移动,产生感应电流,或者说导体中产生了感应电动势。求:a.环形导体中感应电动势E感的大小;b.环形导体位置处电场强度E的大小。(2)电子感应加速器是利用感生电场使电子加速的设备。它的基本原理如图乙所示,图的上部分为侧视图,上、下为电磁铁的两个磁极,磁极之间有一个环形真空室,电子在真空室中做圆周运动。图的下
15、部分为真空室的俯视图,电子从电子枪右端逸出,当电磁铁线圈电流的大小与方向变化满足相应的要求时,电子在真空室中沿虚线圆轨迹运动,不断地被加速。若某次加速过程中,电子圆周运动轨迹的半径为R,圆形轨迹上的磁场为B1,圆形轨迹区域内磁感应强度的平均值记为 (由于圆形轨迹区域内各处磁场分布可能不均匀, 即穿过圆形轨迹区域内的磁通量与圆的面积比值)。电磁铁中通有如图丙所示的正弦交变电流,设图乙装置中标出的电流方向为正方向。a.在交变电流变化一个周期的时间内,分析说明电子被加速的时间范围;b.若使电子被控制在圆形轨道上不断被加速,B1与之间应满足B1=的关系,请写出你的证明过程。答案(1)a.kr2b. (
16、2)a.B1和是由同一个电流产生的,因此磁场方向总相同;由图乙可知:B1向上才可能提供电子做圆周运动的向心力(时间0);由图乙可知:感生电场的电场线方向为顺时针电子才可能加速,所以可以是向上增强(时间0T)或向下减弱(时间TT);综上三点可知:磁场向上增强才能满足电子在圆周上的加速,根据图丙可知电子只能在第一个四分之一周期加速。b.电子做圆周运动的向心力由洛伦兹力提供,设某时刻电子运动的速度为v则B1ev=m则B1eR=mv由(1)问中的a结论可得,此时轨道处的感生电场场强大小E=对式eR=m=ma=eE所以:eR=eR=因为t=0时:B1=0、B2 =0,所以有B1=(其他解法正确均得分)方
17、法2电磁感应中电路问题的分析方法3.如图所示,一对平行光滑轨道放置在水平面上,两轨道间距L=2 m,电阻R=8 ;有一电阻r=2 、质量m=1 kg的金属棒垂直平放在轨道上,轨道电阻可忽略不计,整个装置处于垂直轨道平面向下的匀强磁场中,磁感应强度B=1 T,现用一外力F沿轨道方向拉金属棒,使之做初速度为零的匀加速直线运动,加速度大小为a=1 m/s2。(1)2 s末金属棒的速度大小;(2)2 s末金属棒受到的安培力的大小;(3)2 s内通过电阻R的电荷量Q的大小。答案(1)2 m/s(2)0.8 N(3)0.4 C4.如图所示,水平面上有两根足够长的光滑平行金属导轨MN和PQ,两导轨间距为l=
18、0.40 m,电阻均可忽略不计。在M和P之间接有阻值为R=0.40 的定值电阻,导体杆ab的质量m=0.10 kg,电阻r=0.10 ,并与导轨接触良好。整个装置处于方向竖直向下、磁感应强度B=0.50 T的匀强磁场中。导体杆ab在水平向右的拉力F作用下,沿导轨做速度v=2.0 m/s的匀速直线运动。求:(1)通过电阻R的电流I的大小及方向;(2)拉力F的大小;(3)撤去拉力F后,电阻R上产生的焦耳热QR。答案(1)ab杆切割磁感线产生的感应电动势E=Blv根据闭合电路欧姆定律有I=代入数据解得I=0.80 A方向从M到P(2)杆做匀速直线运动,拉力等于安培力根据安培力公式有F=BIl代入数据
19、解得F=0.16 N(3)撤去拉力后,根据能量守恒可知电路中产生的焦耳热Q=mv2=0.2 J根据焦耳定律有Q=I2R总t,可知QR=Q代入数据解得QR=0.16 J方法3电磁感应中图像问题的分析方法5.如图1所示,线圈abcd固定于匀强磁场中,磁场方向垂直纸面向外,磁感应强度随时间的变化情况如图2所示。下列关于ab边所受安培力随时间变化的F-t图像(规定安培力方向向右为正方向)正确的是()答案C6.如图所示,水平面上有两根足够长的光滑平行金属导轨MN和PQ,两导轨间距为l,电阻均可忽略不计。在M和P之间接有阻值为R的定值电阻,导体杆ab电阻为r,并与导轨接触良好。整个装置处于磁感应强度大小为
20、B、方向竖直向上的匀强磁场中。现给ab杆一个瞬时冲量,使它获得水平向右的初速度v0。下列图像中,关于ab杆的速度v、通过电阻R中的电流i、电阻R的电功率P、通过MPabM的磁通量随时间变化的规律,可能正确的是()答案B方法4电磁感应中的动力学问题的分析方法7.如图所示,空间中存在一匀强磁场区域,磁场方向与竖直面(纸面)垂直,MM和NN是匀强磁场区域的水平边界,纸面内磁场上方有一个正方形导线框abcd,ab边与MM和NN平行,边长小于MM和NN的间距。若线框自由下落,在ab边从MM运动到NN的过程中,关于线框的运动,下列说法中正确的是() A.一定始终做减速运动 B.一定始终做加速运动C.可能先
21、减速后加速 D.可能先加速后减速答案C8.如图所示,通过水平绝缘传送带输送完全相同的正方形单匝铜线框,为了检测出个别未闭合的不合格线框,让线框随传送带通过一固定匀强磁场区域(磁场方向垂直于传送带平面向下),观察线框进入磁场后是否相对传送带滑动就能够检测出未闭合的不合格线框。已知磁场边界MN、PQ与传送带运动方向垂直,MN与PQ间的距离为d,磁场的磁感应强度为B。各线框质量均为m,电阻均为R,边长均为L(Ld)。传送带以恒定速度v0向右运动,线框与传送带间的动摩擦因数为,重力加速度为g。线框在进入磁场前与传送带的速度相同,且右侧边平行于MN进入磁场,当闭合线框的右侧边经过边界PQ时又恰好与传送带
22、的速度相同。设传送带足够长,且在传送带上线框始终保持右侧边平行于磁场边界。对于闭合线框,求:(1)线框的右侧边刚进入磁场时所受安培力的大小;(2)线框在进入磁场的过程中运动加速度的最大值以及速度的最小值;(3)从线框右侧边刚进入磁场到穿出磁场后又相对传送带静止的过程中,传送带对该闭合铜线框做的功。答案(1) (2) -g(3)2mgd方法5电磁感应中功能问题的分析方法9.(多选)如图甲所示,电阻为5 、匝数为100的线圈(图中只画了2匝)两端A、B与电阻R相连,R=95 。线圈内有方向垂直于纸面向里的磁场,线圈中的磁通量按图乙所示规律变化。则()A.A点的电势小于B点的电势B.在线圈位置上感应
23、电场沿逆时针方向C.0.1 s时间内通过电阻R的电荷量为0.05 CD.0.1 s时间内非静电力所做的功为2.5 J答案BCD10.如图所示,表面粗糙的水平传送带在电动机的带动下以速度v 匀速运动,在空间中边长为2L的正方形固定区域内有竖直向上的匀强磁场,磁感应强度大小为B。质量为m、电阻为R、边长为L的正方形金属线圈abcd平放在传送带上,与传送带始终无相对运动,下列说法中正确的是()A.在线圈进入磁场过程与穿出磁场过程中,感应电流的方向都沿abcda方向B.在线圈穿过磁场区域的过程中,线圈始终受到水平向左的安培力C.在线圈进入磁场过程中,线圈所受静摩擦力的功率为D.在线圈穿过磁场区域的过程
24、中,电动机多消耗的电能为答案D方法6电磁感应中导轨类问题的分析方法11.如图所示,一水平面内固定两根足够长的光滑平行金属导轨,导轨上面横放着两根完全相同的铜棒ab和cd,构成矩形回路,在整个导轨平面内都有竖直向上的匀强磁场B。开始时,棒cd静止,棒ab有一个向左的初速度v0,则关于两棒以后的运动,下列说法正确的是()A.ab棒做匀减速直线运动,cd棒做匀加速直线运动B.ab棒减小的动量等于cd棒增加的动量C.ab棒减小的动能等于cd棒增加的动能D.两棒一直运动,机械能不断转化为电能答案B12.电磁弹射技术是一种新兴的直线推进技术,适宜于短行程发射大载荷,在军事、民用和工业领域具有广泛应用前景。
25、我国已成功研制出用于航空母舰舰载机起飞的电磁弹射器。它由发电机、直线电机、强迫储能装置和控制系统等部分组成。电磁弹射器可以简化为如图所示的装置以说明其基本工作原理。电源和一对足够长平行金属导轨M、N分别通过单刀双掷开关K与电容器相连。电源的电动势E=10 V,内阻不计。两条足够长的导轨相距L=0.1 m且水平放置,处于磁感应强度B=0.5 T的匀强磁场中,磁场方向垂直于导轨平面且竖直向下,电容器的电容C=10 F。现将一质量m=0.1 kg、电阻r=0.1 的金属滑块垂直放置于导轨的滑槽内,分别与两导轨良好接触。将开关K置于a,使电容器充电,充电结束后,再将开关K置于b,金属滑块会在电磁力的驱
26、动下运动,不计导轨和电路其他部分的电阻,且忽略金属滑块运动过程中的一切阻力,不计电容器充放电过程中该装置向外辐射的电磁能量及导轨中电流产生的磁场对滑块的作用。(1)在电容器放电过程中,金属滑块两端电压与电容器两极板间电压始终相等。求在开关K置于b瞬间,金属滑块的加速度的大小a;(2)求金属滑块最大速度大小v;(3)a.电容器是一种储能装置,当电容器两极板间电压为U时,它所储存的电能A=CU2/2。求金属滑块在运动过程中产生的焦耳热Q;b.金属滑块在运动时会产生反电动势,使金属滑块中大量定向运动的自由电子又受到一个阻力作用。请分析并计算在金属滑块运动过程中这个阻力所做的总功W。答案(1)50 m
27、/s2(2)40 m/s(3)a.400 Jb.因金属滑块做切割磁感线运动产生反电动势,使滑块中的自由电子受到阻碍其定向运动的洛伦兹力f1(即阻力);同时由于金属滑块中的自由电子定向运动还受到洛伦兹力f2。金属滑块中的所有自由电子所受f2的合力在宏观上表现为金属滑块的安培力。由动能定理可知安培力做功WF=mv2f1与f2的合力即洛伦兹力f不做功。所以金属滑块运动过程中阻力f1所做的总功W=-WF=-80 J13.如图所示,间距为L=1 m的两条足够长的平行金属导轨与水平面的夹角为=37,底端用电阻为R=0.8 的导体MN相连接,导轨电阻忽略不计。磁感应强度为B=1 T的匀强磁场与导轨平面垂直,
28、磁场区域上下边界距离为d=0.85 m,下边界aa和导轨底端相距3d。一根质量为m=1 kg、电阻为r=0.2 的导体棒放在导轨底端,与导轨垂直且接触良好,并以初速度v0 =10 m/s沿导轨向上运动,到达磁场上边界bb时,速度恰好为零。已知导轨与棒之间的动摩擦因数为=0.5,g=10 m/s2,sin 37=0.6,cos 37=0.8。求:(1)导体棒通过磁场过程中产生的焦耳热;(2)导体棒从进入磁场至到达上边界所用的时间和回路中产生的感应电流的有效值;(3)微观上导体中的电子克服因碰撞产生的阻力做功,宏观上表现为产生焦耳热。试从微观角度推导:当棒运动到磁场中某一位置时(感应电流为I),其
29、电阻的发热功率为P热=I2r(推导过程用字母表示)。答案(1)16 J(2)0.615 s A(3)(3)设导体棒中单位体积的电子数为n,导体棒的横截面积为S,则导体棒中的总电子数N=nLS当棒运动到磁场中某一位置时,设电子相对导体棒定向移动的速率为ve,则导体棒中所有电子克服阻力做功的功率P克=Nfve当棒运动到磁场中某一位置时,设棒的速度大小为v,棒两端电压为U。在棒运动到磁场中某一位置时的极短时间内,可认为电流不变,电子相对导体棒定向移动的速率为ve不变,则棒中某个电子在这一瞬时受力平衡,故受的阻力f=evB-又I=nveSe导体棒中所有电子克服阻力做功的功率P克等于棒的电阻的发热功率P
30、热,即P热=P克可得:P热=(BLv-U)I故P热=IU内= I2r过专题【五年高考】A组基础题组1.(2015北京理综,20,6分)利用所学物理知识,可以初步了解常用的公交一卡通(IC卡)的工作原理及相关问题。IC卡内部有一个由电感线圈L和电容C构成的LC振荡电路。公交车上的读卡机(刷卡时“嘀”的响一声的机器)向外发射某一特定频率的电磁波。刷卡时,IC卡内的线圈L中产生感应电流,给电容C充电,达到一定的电压后,驱动卡内芯片进行数据处理和传输。下列说法正确的是() A.IC卡工作所需要的能量来源于卡内的电池B.仅当读卡机发射该特定频率的电磁波时,IC卡才能有效工作C.若读卡机发射的电磁波偏离该特定频率,则线圈L中不会产生感应电流D.IC卡只能接收读卡机发射的电磁波,而不能向读卡机传输自身的数据信息答案B2.(2018课标,19,6分)(多选)如图,两个线圈绕在
