高考物理 電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化與守恒素材

1、電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化與守恒能的轉(zhuǎn)化與守恒定律,是自然界的普遍規(guī)律,也是物理學(xué)的重要規(guī)律.電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化與守恒問題,是高中物理的綜合問題,也是高考的熱點(diǎn)、重點(diǎn)和難點(diǎn).在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中,外力克服安培力做功,消耗機(jī)械能,產(chǎn)生電能,產(chǎn)生的電能是從機(jī)械能轉(zhuǎn)化而來的;當(dāng)電路閉合時(shí),感應(yīng)電流做功,消耗了電能,轉(zhuǎn)化為其它形式的能,如在純電阻電路中電能全部轉(zhuǎn)化為電阻的內(nèi)能,即放出焦耳熱,在整個(gè)過程中,總能量守恒.在與電磁感應(yīng)有關(guān)的能量轉(zhuǎn)化與守恒的題目中,要明確什么力做功與什么能的轉(zhuǎn)化的關(guān)系,它們是: 合力做功=動(dòng)能的改變；重力做功=重力勢(shì)能的改變；重力做正功,重力勢(shì)能減少；重力做負(fù)功,重力勢(shì)能增加；彈力做

2、功=彈性勢(shì)能的改變；彈力力做正功,彈性勢(shì)能減少；彈力做負(fù)功,彈性勢(shì)能增加；電場(chǎng)力做功=電勢(shì)能的改變；電場(chǎng)力做正功,電勢(shì)能減少；電場(chǎng)力做負(fù)功,電勢(shì)能增加；安培力做功=電能的改變, 安培力做正功,電能轉(zhuǎn)化為其它形式的能;安培力做負(fù)功(即克服安培力做功), 其它形式的能轉(zhuǎn)化為電能.以2005年高考題為例,說明與電磁感應(yīng)有關(guān)的能量轉(zhuǎn)化與守恒問題的解法.例1.如圖1所示，兩根足夠長(zhǎng)的固定平行金屬光滑導(dǎo)軌位于同一水平面，導(dǎo)軌上橫放著兩根相同的導(dǎo)體棒ab、cd與導(dǎo)軌構(gòu)成矩形回路。導(dǎo)體棒的兩端連接著處于壓縮狀態(tài)的兩根輕質(zhì)彈簧，兩棒的中間用細(xì)線綁住，它們的電阻均為R，回路上其余部分的電阻不計(jì)。在導(dǎo)軌平面內(nèi)兩導(dǎo)軌

3、間有一豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。開始時(shí)，導(dǎo)體棒處于靜止?fàn)顟B(tài)。剪斷細(xì)線后，導(dǎo)體棒在運(yùn)動(dòng)過程中( )acbd圖1回路中有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)兩根導(dǎo)體棒所受安培力的方向相同兩根導(dǎo)體棒和彈簧構(gòu)成的系統(tǒng)動(dòng)量守恒，機(jī)械能守恒兩根導(dǎo)體棒和彈簧構(gòu)成的系統(tǒng)動(dòng)量守恒，機(jī)械能不守恒解:因回路中的磁通量發(fā)生變化(因面積增大,磁通量增大)所以有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì);據(jù)楞次定律判斷,感生電流的方向是a,用左手定則判斷ab受安培力向左,dc受安培力向右;因平行金屬導(dǎo)軌光滑,所以兩根導(dǎo)體棒和彈簧構(gòu)成的系統(tǒng)受合外力為零(重力與支持力平衡),所以動(dòng)量守恒,但一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,所以機(jī)械能不守恒,因此本題選A、D.例2.如圖2所示，固定的水平光滑金屬導(dǎo)

4、軌，間距為L(zhǎng)，左端接有阻值為R的電阻，處在方向豎直、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，質(zhì)量為m的導(dǎo)體棒與固定彈簧相連，放在導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌與導(dǎo)體棒的電阻均可忽略初始時(shí)刻，彈簧恰處于自然長(zhǎng)度，導(dǎo)體棒具有水平向右的初速度v0.在沿導(dǎo)軌往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程中，導(dǎo)體棒始終與導(dǎo)軌垂直并保持良好接觸(1)求初始時(shí)刻導(dǎo)體棒受到的安培力(2)若導(dǎo)體棒從初始時(shí)刻到速度第一次為零時(shí)，彈簧的彈性勢(shì)能為Ep，則這一過程中安培力所做的功W1和電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱Q1分別為多少?(3)導(dǎo)體棒往復(fù)運(yùn)動(dòng)，最終將靜止于何處?從導(dǎo)體棒開始運(yùn)動(dòng)直到最終靜止的過程中，電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱Q為多少?A解(1)用右手定則判斷導(dǎo)體棒的感生電流方向從B向A

5、, 用右手定則判斷導(dǎo)體棒受的安培力方向向左. 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為感生電流為安培力為B所以. 圖2 (2) 這一過程中導(dǎo)體棒的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢(shì)能和電路的電能(通過安培力做功), 電路的電能通過電阻R轉(zhuǎn)化為焦耳熱,所以(3)只有導(dǎo)體棒的動(dòng)能為零并且彈簧的彈性勢(shì)能也為零,導(dǎo)體棒才能靜止,所以最終將靜止于初始位置.此時(shí),導(dǎo)體棒的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱,所以.R1R2labMNPQBv例3圖3中MN和PQ為豎直方向的兩平行長(zhǎng)直金屬導(dǎo)軌，間距l(xiāng)為0.40m，電阻不計(jì)。導(dǎo)軌所在平面與磁感應(yīng)強(qiáng)度B為0.50T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直。質(zhì)量m為6.0×10-3kg、電阻為1.0的金屬桿ab始終垂直于

6、導(dǎo)軌，并與其保持光滑接觸。導(dǎo)軌兩端分別接有滑動(dòng)變阻器和阻值為3.0的電阻R1。當(dāng)桿ab達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)以速率v勻速下滑，整個(gè)電路消耗的電功率P為0.27W，重力加速度取10m/s2，試求速率v和滑動(dòng)變阻器接入電路部分的阻值R2。解: 在桿ab達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)以前,桿加速下降,重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能和電能.當(dāng)桿ab達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)(即勻速運(yùn)動(dòng))時(shí),導(dǎo)體棒克服安培力做功,重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能,即電路消耗的電功,所以有代入數(shù)據(jù)得:.感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為感生電流為 圖3其中r為ab的電阻,R外為R1與R2的并聯(lián)電阻,即.又代入數(shù)據(jù),解得:R2=6.0.例4.如圖4所示，處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的兩根足夠長(zhǎng)、電阻不計(jì)的平行金屬導(dǎo)軌相距1

7、m，導(dǎo)軌平面與水平面成=37º角，下端連接阻值為R的電阻。勻強(qiáng)磁場(chǎng)方向與導(dǎo)軌平面垂直。質(zhì)量為0.2kg，電阻不計(jì)的金屬棒放在兩導(dǎo)軌上，棒與導(dǎo)軌垂直并保持良好接觸，它們之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.25。求金屬棒沿導(dǎo)軌由靜止開始下滑時(shí)的加速度大?。划?dāng)金屬棒下滑速度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，電阻R消耗的功率為8W，求該速度的大??；abR在上問中，若R=2，金屬棒中的電流方向由a到b，求磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向。（g=10m/s2，sin37º=0.6，cos37º=0.8）解:(1)由受力分析,根據(jù)牛頓第二定律,得:代入數(shù)據(jù),解得. 圖4(2) 當(dāng)金屬棒下滑速度達(dá)到穩(wěn)定時(shí), 金屬棒重力勢(shì)能一部分克服摩擦力做功,轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,另一部分克服安培力做功,轉(zhuǎn)化為電能,它等于電路中電阻R消耗的電功;設(shè)速度為,在時(shí)間內(nèi),據(jù)能量守恒,有:代入數(shù)據(jù),解得:(3)據(jù) 及,解得B=0.4T.用右手定則判斷磁場(chǎng)方向垂直導(dǎo)