以“电磁感应”为核心的应用,是物理高考的重点、难点和热点问题。它经常结合电路、力学、图像问题及能量转化与守恒等知识,以综合性的题目出现。为了突破重点和难点问题,笔者把以“电磁感应”为核心的问题归纳为四类,分类进行学习。
一、图像问题
它是指由给定的电磁感应过程选出或画出图像,或由给定的图像分析电磁感应过程,求解相应的物理量。
例1.如图1所示,空间存在两个磁场,磁感应强度大小均为B,方向相反,且垂直于纸面,MN、PQ为其边界,O"为其对称轴。一导线折成边长为I的正方形闭合回路abcd,回路在纸面内以恒定速度vo向右运动,当运动到关于O"对称的位置时( )
A.穿过回路的磁通量为零
B.回路中感应电动势大小为2BIv0
C.回路中感应电流的方向为顺时针方向
D.回路中ab边与cd边所受安培力方向相同
解析:本题考查了磁通量、法拉第电磁感应定律,以及考生的分析能力。线框关于O"对称时,左右两侧磁通量大小相等,磁场方向相反,合磁通量为0;根据右手定则知,回路中感应电流方向为逆时针,两电源串联,且大小均为BIv0,所以闭合电路的总电动势为2BIv0;根据左手定则,ab和cd边所受安培力方向均向左,方向相同,故正确的选项为ABD。
二、动力问题
它是指力和运动的关系问题。
三、电路问题
它是指切割磁感线的导体或磁通量的变化的回路相当于电源――直流电路的分析与计算。
四、能量问题
它是指产生感应电流的过程,即能量转化的过程。
电磁感应过程中有外力克服安培力做功,其他形式的能量转化为电能。外力克服安培力做了多少功,就有多少其他形式的能量转化为电能。感应电流通过用电器,电能又转化为其他形式的能。
例2.如图2所示,质量m1=0.1kg,电阻R1=0.3Ω,长度l=0.4m的导体棒ab横放在U型金属框架上。框架质量m2=0.2kg,放在绝缘水平面上,与水平面间的动摩擦因数μ=0.2,相距0.4m的MM"、NN"相互平行,电阻不计且足够长。电阻R2=0.1Ω的MN垂直于MM"。整个装置处于竖直向上的匀强磁场中,磁感应强度B=0.5T。垂直于ab施加F=2N的水平恒力,ab从静止开始无摩擦地运动,始终与MM"、NN"保持良好接触,当ab运动到某处时,框架开始运动。设框架与水平面间最大静摩擦力等于滑动摩擦力,g取10m/s。
(1)求框架开始运动时,导体棒ab速度v的大小;
(2)从导体棒ab开始运动到框架开始运动的过程中,MN上产生的热量Q=0.1J,求该过程中导体棒ab位移x的大小。
解析:(1)ab对框架的压力F1=m1g,框架受水平面的支持力FN=m2g+F1。
依题意,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,则框架受到最大静摩擦力F2=μFN。
ab中的感应电动势E=Blv
MN中电流I=■,
MN受到的安培力F安=IlB,
框架开始运动时F安=F2,
由上述各式代入数据解得v=6m/s。
(2)闭合回路中产生的总热量Q总=■Q,
由能量守恒定律,得Fx=■m1v2+Q总。
代入数据解得x=1.1m。
(作者单位:江西省赣州市赣县中学)