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第3课时专题强化:电磁感应中的电路和图像问题
目标要求1.掌握电磁感应中电路问题的求解方法。2.会计算电磁感应问题中电压、电流、电荷量、热量等物理量。3.能够通过电磁感应图像,读取相关信息,应用物理规律求解问题。
考点一电磁感应中的电路问题和电荷量的计算
1.分析电磁感应中电路问题的基本思路
思考“相当于电源”的导体两端的电势差就是电源的电动势吗?
答案导体两端的电势差与电源的电动势是两个不同的概念,导体两端的电势差不是电源的电动势。当电路是断开状态时,等效电源两端的电势差等于电源的电动势;当电路是闭合状态时,等效电源两端的电势差为路端电压,与电动势不相等。
例1(多选)(2023·河南郑州市期末)在如图甲所示的电路中,电阻2R1=R2=2R,单匝、圆形金属线圈的半径为r1,电阻为R,半径为r2(r2r1)的圆形区域内存在垂直于线圈平面向里的匀强磁场,磁感应强度B随时间t变化的关系图线如图乙所示,其余导线的电阻不计。闭合开关S,在t0时刻,电路中的电流已稳定。下列说法正确的是()
A.流过电阻R1的电流方向自下向上
B.稳定后电阻R1两端的电压为eq\f(πr22B0,4t0)
C.稳定后M、N两点间的电压为eq\f(πr22B0,t0)
D.0~t0时间内,电阻R2上产生的焦耳热为eq\f(π2r24B02,8Rt0)
答案BD
解析由题图乙可知磁感应强度随着时间均匀增大,根据楞次定律,可判断出线圈中感应电流方向为逆时针,则流过电阻R1的电流方向自上向下,故A错误;根据法拉第电磁感应定律有E=eq\f(ΔB·S,Δt),S=πr22,eq\f(ΔB,Δt)=eq\f(2B0-B0,t0)=eq\f(B0,t0),解得E=eq\f(πr22B0,t0),根据闭合电路欧姆定律,当稳定后M、N两端电压为外电压U外=eq\f(R1+R2,R1+R2+R)E=eq\f(3πr22B0,4t0),C错误;电阻R1两端的电压U1=eq\f(R1,R1+R2+R)E=eq\f(πr22B0,4t0),故B正确;根据闭合电路欧姆定律,稳定后电路中的电流I=eq\f(E,R1+R2+R)=eq\f(πr22B0,4t0R),根据焦耳定律,在0~t0时间内,电阻R2上产生的焦耳热Q2=I2R2t0=eq\f(π2r24B02,8Rt0),故D正确。
例2(多选)如图所示,导线圆环总电阻为2R,半径为d,垂直磁场固定于磁感应强度为B的匀强磁场中,此磁场的左边界正好与圆环直径重合,电阻为R的直金属棒ab以恒定的角速度ω绕过环心O的轴匀速转动,a、b端正好与圆环保持良好接触。以下说法正确的是()
A.图示位置处杆O点电势高于b点电势
B.a、b两点的电势差Uab=eq\f(1,12)Bd2ω
C.转动过程中金属棒与圆环上消耗的电功率之比2∶1
D.棒转动一圈时金属棒上产生的热量为eq\f(2πB2ωd4,9R)
答案CD
解析根据右手定则可知,图示位置直金属棒Oa部分充当电源,电源内部电流方向为O→a,外电路电流方向为b→O,则杆O点电势低于b点电势,故A错误;由法拉第电磁感应定律可知,感应电动势E感=Bdv=Bd·eq\f(ωd,2)=eq\f(Bωd2,2),根据等效电路可知,圆环部分电阻为R环=eq\f(1,\f(1,R)+\f(1,R))=eq\f(R,2),整个电路的总电阻为R总=R环+R=eq\f(3R,2),干路电流为I=eq\f(E感,R总)=eq\f(Bωd2,3R),a、b两点的电势差大小Uab=IR环=eq\f(Bωd2,6),故B错误;转动过程中金属棒与圆环上消耗的电功率分别为P棒=I2R,P环=I2R环=eq\f(I2R,2),故转动过程中金属棒与圆环上消耗的电功率之比为P棒∶P环=2∶1,故C正确;棒转动一圈时导体棒上产生的热量Q=I2Rt=(eq\f(Bωd2,3R))2·R·eq\f(2π,ω)=eq\f(2πB2ωd4,9R),故D正确。
2.电磁感应中电荷量的计算
设在时间Δt内通过导体横截面的电荷量为q,则根据电流定义式eq\x\to(I)=eq\f(q,Δt)及法拉第电磁感应定律有eq\x\to(E)=neq\f(ΔΦ,Δt),得q=eq\x\to(I)Δt=eq\f(\x\to(E),R总)Δt=eq\f(nΔΦ,R总Δt)Δt=eq\f(nΔΦ,R总),即q=neq\f(ΔΦ,R总)。
注意:eq\x\to(E)表示电动势的平均值,eq\x\to(I)表示电流的平均值。电流变化时计算通过导体横截面的电荷量时要用电流的平均值。
例3如图,导体轨道OPQS固定,其中PQS是半圆弧,Q为半圆弧的中点,O为
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