电磁感应与电路的综合

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  电磁感应往往与电路问题联系在一起,其分析与计算以知识点覆盖多,综合性强,思维含量高,充分体现考生能力和素质等特点,成为高考命题的热点,电磁感应与电路的考查,常以学科内综合为主,电学方面常涉及法拉第电磁感应定律、电场和磁场知识、直流与交流电路,力学方面则常常涉及动力学知识及功能关系、动量等等,突出考查考生理解能力、分析综合能力,运用数学解决物理问题的能力,尤其从实际问题中抽象概括构建物理模型的创新能力。
  解决电磁感应与电路问题的关键就是借鉴或利用相似原型来理解和变换物理模型,变换物理模型,是将陌生的物理模型与熟悉的物理模型相比较,分析异同并从中挖掘其内在联系,从而建立起熟悉模型与未知现象之间相互关系的一种特殊解题方法,巧妙地运用“类同”变换,“类似”变换,可使复杂、陌生、抽象的问题变成简单、熟悉、具体的物理情景,从而使问题大为简化,在电磁感应与电路结合的问题中变换物理模型,即需要把电磁感应的问题等效转换成对应电路(常为直流电路),具体地说,把产生电磁感应现象即产生感应电动势的那部分导体等效为电源(内电路),由于这个“电源”不像通常的电池那么直观,比较隐蔽,所以在电磁感应现象中,正确分析相当于电源的那部分导体,画出等效的电源是解决问题的最重要的一步,该电源的电动势即感应电动势的大小由法拉第电磁感应定律求出,电流方向由楞次定律或右手定则判断,要注意在电源(导体)内部,电流由负极(低电势)流向电源的正极(高电势),在外部由正极流向负极,如果在一个电路中切割磁感线的有几个部分但又相互联系,可等效成电源的串、并联,其余部分相当于外电路,并画出等效电路图,然后再利用相关规律求解。
  
  一、电磁感应与闭合电路
  
  【例1】据报道,1992年7月,美国“阿特兰蒂斯”号航天飞机进行了一项卫星悬绳发电实验,实验取得了部分成功,航天飞机在地球赤道上空离地面约3000km处由东向西飞行,相对地面速度大约6.5×103m/s,从航天飞机上向地心方向发射一颗卫星,携带一根长20km,电阻为800Ω的金属悬绳,使这根悬绳与地磁场垂直,做切割磁感线运动,假定这一范围内的地磁场是均匀的,磁感应强度为4×10-5T,且认为悬绳上各点的切割速度和航天飞机的速度相同,根据理论设计,通过电离层(由等离子体组成)的作用,悬绳可以产生约3A的感应电流,试求:
  
  点评:此题考查学生信息摄取、提炼、加工能力及构建物理模型的抽象概括能力,若考生缺乏知识迁移运用能力和抽象概括能力,不能于现实情景中构建模型(切割磁感线的导体棒模型)并进行模型转换(转换为电源模型及直流电路模型),则无法顺利运用直流电路相关知识突破。
  
  【例2】磁流体发电机示意图如图2所示,a、b两金属板相距为d,板间有磁感应强度为B的匀强磁场,一束截面积为S,速度为v的等离子体自左向右穿过两板后速度大小仍为v,截面积仍为S,只是等离子体压强减小了,设两板之间单位体积内等离子的数目为n,每个离子的电荷量为q,板间部分的等离子体等效内阻为r,外电路电阻为R.求:
  
  点评:在恒定电流的电路中应注意路端电压与电源电动势的大小关系,当电源没有接入电路时,电动势的大小等于路端电压,在电磁感应现象中,有时导体两端有电压,但没有电流流过,这类似电源两端有电势差但没有接入电路时,电流为零。
  
  点评:本题考查了法拉第电磁感应定律,电磁感应产生的条件,电流表、电压表的工作原理,难点在用等效的方法知ab、cd棒都在切割磁感线,产生了部分感应电动势,ab端、cd端都有电压,但回路中无感应电动势,本题有助于理解部分导体切割磁感线时,感应电动势与磁通量变化时回路中总感应电动势二者的区别,有别于图6中只有导体棒cd切割磁感线的情形,要注意形同质不同的本质差异。
  
  点评:本题是集电磁感应、电路计算与分析、力学中的功率及能的转化和守恒定律于一体的综合性题目,要有扎实的基础知识和较强的实际分析能力才能正确的解答此题,解题的关键是:(1)运用电路中所学知识分析出两个电表中,哪一个满偏,哪一个在安全使用,从而得到解题中所需的数据;(2)明确电磁感应现象中能的转化和守恒关系,外力克服安培力做功,把其他形式的能转化为电能,由电流的热效应转化为内能,且在转化过程中能量是守恒的。
  
  点评:要识别电容器在直流电路中的连接形式,能牢记电容器的特点,就是明确电容器的隔直流作用,从而可将与电容器串接的那部分电阻当作无阻导线处理,以便确定电容器两极板电势差,在电磁感应现象中,若感应电动势不变,则与恒定电流电路相同,电容器是断路的。
  
  点评:该题是一道综合性很强的习题,在分析物理过程中,根据题给信息“电动机牵引原来静止的导体棒AC向右运动”,利用导体切割磁感线,抓住能的转化与守恒这一主线,将“电动机工作电路问题”、“机车运动问题”和“电磁感应中能的转化”的解题思路迁移过来,综合分析解决问题。
  
  点评:该题体现了数学方法在分析解答物理问题上的重要作用,同时应注意结合闭合电路中电源总功率、输出功率和电源内部损耗功率的关系以及当电源电动势和内阻一定时的最大功率的条件。
  
  点评:线圈中通以高频交流电时,待焊接的金属工件中就产生感应电流,由于焊缝处的接触电阻很大,放出的焦耳热很多,致使温度升得很高,将金属熔化,焊接在一起,交流电的频率越高,金属工件所在平面的变化磁场变化就越快,根据法拉第电磁感应定律,它产生感应电动势就越大,当电阻相同时,感应电流就越大,而放出的热量与电流的平方成正比,所以交流电频率越高,焊接处放出的热量越大,焊接越快,另外,工件中各处电流大小相等,但焊接处电阻大,电流热功率大,而其它部分电阻小,电流热功率小,所以焊接处已经熔化而零件其它部分并不很热。
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