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电磁感应实验图_电磁感应中的图象问题分析

热点英语作文 时间:2019-05-22

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  由于物理图象能形象、直观地表达物理规律、描述物理过程、清晰地反映物理量间的函数关系,因此图象是我们研究物理的一种特殊语言和工具.而电磁感应中的图象问题又是其中的热点问题,有关以图象及其运用为背景的命题,成为历届高考考查的热点.
  一、 正确识图
  首先要明确图象的类型,主要涉及磁感应强度B、磁通量Φ、感应电动势E和感应电流I随时间变化的图象,即B-t图象、Φ-t图象、E-t图象和I-t图象;对于导体切割磁感线产生感应电动势和感应电流的情况,还常涉及感应电动势E和感应电流I随线圈位移变化的图象,即E-x图象和I-x图象;还有F安-t,v-t等图象.其次要根据图象的形状确定物理量的变化规律,并理解图象上各特征量(如斜率、截距、交点坐标、拐点坐标和面积)的物理意义.所以在遇到图象时,首先看两轴,而后分析斜率、截距、面积的含义,从而得出正确的结果.
  例 1 单匝线圈在匀强磁场中绕垂直于磁场的轴匀速转动,穿过线圈的磁通量Φ随时间t变化的关系如图所示,则()
  A. 在t=0时刻,线圈中磁通量最大,感应电动势也最大
  B. 在t=1×10-2 s时刻,感应电动势最大
  C. 在t=2×10-2 s时刻,感应电动势为零
  D. 在0~2×10-2 s时间内,线圈中感应电动势的平均值为零
  解析 在t=0与t=2×10-2 s时刻磁通量最大,但磁通量的变化率为零,t=1×10-2 s时,磁通量为零,但磁通量的变化率最大,所以B、C正确,A错;而在0~2×10-2 s内磁通量的变化量为2×10-3 Wb,故感应电动势不为零,所以D错.故正确选项为BC.
  点评 在Φ-t图象中,其斜率k=表示磁通量的变化快慢,也表示单匝线圈上产生的感应电动势.考生易错误地认为磁通量最大时产生感应电动势最大;也有考生不明白纵标轴正负值表示的物理意义而错选D.
  例 2 在水平桌面上,一个面积为S的圆形金属框置于匀强磁场中,线框平面与磁场垂直,磁感应强度B1随时间t的变化关系如图甲所示.0~1s内磁场方向垂直线框平面向下.圆形金属框与一个水平的平行金属导轨相连接,导轨上放置一根导体棒,导体棒的长为L、电阻为R,且与导轨接触良好,导体棒处于另一匀强磁场中,其磁感应强度恒为B2,方向垂直导轨平面向下,如图乙所示.若导体棒始终保持静止,则其所受的静摩擦力f随时间变化的图象是下图中的(设向右为静摩擦力的正方向) ()
  解析 在0~1s内由图甲可知磁感应强度均匀增大,产生恒定的感应电流,根据楞次定律可判断感应电流的方向为逆时针,导体棒受到的安培力的方向是水平向左,棒静止不动,摩擦力方向水平向右,为正方向.在1~2s内回路无感应电流,因此摩擦力为零,从而得出正确的f-t图象为A.
  点评 本题属于电磁感应的图象问题,考查的角度比较新颖,突破了传统的考查方式.它要求考生从B-t图象来确定i-t图象的变化,进而确定F安-t的变化情况,再根据导体棒受力平衡来确定f-t图象.
  二、 准确用图
  常见电磁感应现象中的图象问题可分为以下两类:
  1. 由给定的电磁感应过程选出或画出相关物理量的正确函数图象.
  分析此类图象问题的关键是要抓住磁通量的变化是否均匀,从而推知感应电动势(或电流)是否大小恒定;用楞次定律(或右手定则)判断出感应电动势(或电流)的方向,从而确定其正负,以及在坐标中的范围.
  例 3 如图所示,两个垂直于纸面的匀强磁场方向相反,磁感应强度的大小均为B,磁场区域的宽度均为a.一正三角形导线框ACD(高为a)从图示位置沿图示方向匀速穿过两磁场区域.以逆时针方向为电流的正方向,则以下能正确表示感应电流i与线框移动的距离x之间的关系的图象是()
  解析 如下图所示,当x<a时,线框切割磁感线的有效长度等于线框内磁场边界的长度,故有E1=2Bvxtan 30°.
  当a<x<2a时,线框在左右两磁场中切割磁感线产生的电动势方向相同,且都与x<a 时相反,故E2=4Bv(x-a)•tan 30°.
  当2a<x<3a时,感应电动势的方向与x<a时相同,故E3=2Bv(x-2a)tan 30°.
  综上所述,正确选项为C.
  点评 本题主要考查了考生对右手定则、E=BLv的应用,解题关键是根据E=Blv和楞次定律(或右手定则)准确判断出电流方向(感应电流方向),明确导体的运动过程;以及回路有效电动势的分析,特别是双边切割时有效电动势的分析,涉及电源电路的串联问题,能力要求较高.有时还需要画出等效电路来辅助分析.
  例 4 如图所示,水平放置的两根平行金属导轨,间距L=0.3 m.导轨左端连接R=0.6 Ω的电阻.区域abcd内存在垂直于导轨平面的B=0.6 T的匀强磁场,磁场区域宽D=0.2 m.细金属棒A1和A2用长为2D=0.4 m的轻质绝缘杆连接,放置在导轨平面上,并与导轨垂直,每根金属棒在导轨间的电阻均为r=0.3 Ω,导轨电阻不计,使金属棒以恒定速度v=1.0 m/s沿导轨向右穿越磁场,计算从金属棒A1进入磁场(t=0)到A2离开磁场的时间内,不同时间段通过电阻R的电流大小,并在下图中画出.
  解析 A1从进入磁场到离开磁场的时间t1==0.2 s.
  在0~t1时间内,A1上的感应电动势E=BLv=0.18 V.
  画出等效电路图如图甲所示.
  由图甲知,电路的总电阻
  R并==0.2 Ω,总电流i==0.36 A,
  则通过R的电流iR=i=0.12 A.
  A1离开磁场t1=0.2 s至A2未进入磁场t2==0.4 s的时间内,回路中无电流,iR=0.
  从A2进入磁场t2=0.4 s至离开磁场t3==0.6 s的时间内,A2上的感应电动势E=0.18 V,
  画出等效电路图如图乙所示.由图乙同理可得电路的总电流i=0.36 A,流过R的电流iR=0.12 A.
  综合上述计算结果,绘制通过R的电流与时间的关系图线如下图所示.
  
  点评 处理电磁感应中涉及有关电路的问题时,产生电磁感应的部分相当于电源,对外供电,在供电过程遵从电路中一切规律,所以解答本题时应把握住以下三点:(1) 搞清不同阶段A1、A2谁是电源;(2) 画出不同阶段的等效电路图;(3) 利用闭合电路的欧姆定律知识分析.
  2. 根据给定的有关图象来分析电磁感应过程,求解相关的物理量.
  例 5 青藏铁路上安装的一种电磁装置可以向控制中心传输信号,以确定火车的位置和运动状态,其原理是将能产生匀强磁场的磁铁安装在火车首节车厢下面,如图甲所示(俯视图).当它经过安放在两铁轨间的线圈时,线圈便产生一个电信号传输给控制中心.线圈边长分别为l1和l2,匝数为n,线圈和传输线的电阻忽略不计.若火车通过线圈时,控制中心接收到线圈两端的电压信号u与时间t的关系如图乙所示(ab、cd为直线),t1、t2、t3、t4是运动过程的四个时刻,则下列说法正确的是()
  A.火车在t1~t2时间内做匀加速直线运动
  B.火车在t3~t4时间内做匀减速直线运动
  C. 火车在t1~t2时间内的加速度大小为
  D.火车在t3~t4时间内的平均速度的大小为
  
  解析 信号电压u=E=nBl1v,由u-t图象可知,火车在t1~t2和t3~t4时间内都做匀加速直线运动.在t1~t2时间内,a1==,在t3~t4时间内的平均速度 ==,故B、D错误,正确选项为AC.
  通过以上分析可知,对于电磁感应的图象问题,不论是何种类型,都需要综合运用法拉第电磁感应定律、楞次定律、右手定则、安培定则等规律来分析相关物理量之间的函数关系,确定其大小和方向及在坐标系中的范围,同时应注意斜率的物理意义.

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