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電磁感應(yīng)綜合與拓展的物理教案
一、知識(shí)地圖
根據(jù)考綱的要求，本章內(nèi)容可以分成這樣幾部分，即：電磁感應(yīng)現(xiàn)象、楞次定律;法拉第電磁感應(yīng)定律、自感;電磁感應(yīng)與電路規(guī)律的綜合應(yīng)用;電磁感應(yīng)與力學(xué)規(guī)律的綜合應(yīng)用。其中楞次定律和法拉第電磁感應(yīng)定律是電磁感應(yīng)這一章中最重要、最基本的定律，電磁感應(yīng)與電路規(guī)律的綜合應(yīng)用、電磁感應(yīng)與力學(xué)規(guī)律的綜合應(yīng)用，也是復(fù)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。另外，電磁感應(yīng)知識(shí)在實(shí)際中的應(yīng)用廣泛如：自感、日光燈原理、磁懸浮原理、電磁阻尼、超導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用等。
二、應(yīng)考指南
電磁感應(yīng)是高中物理中的主干和核心知識(shí)之一，本章從研究電磁感應(yīng)現(xiàn)象入手，通過(guò)實(shí)驗(yàn)總結(jié)出了產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件和判定感應(yīng)電流方向的一般方法楞次定律，給出了確定感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小的一般規(guī)律法拉第電磁感應(yīng)定律.楞次定律和法拉第電磁感應(yīng)定律是解決電磁感應(yīng)問(wèn)題的重要依據(jù)，復(fù)習(xí)中必須深入理解和熟練掌握;同時(shí)由于電磁感應(yīng)的題型大多與實(shí)際問(wèn)題相聯(lián)系，往往綜合性較強(qiáng)，與前面的知識(shí)聯(lián)系較多，涉及到力和運(yùn)動(dòng)、動(dòng)量、能量、直流電路、安培力等多方面的知識(shí)，解題時(shí)一般要從以下兩個(gè)方面分析：(1)受力情況、運(yùn)動(dòng)情況的動(dòng)態(tài)分析。(2)功能分析，電磁感應(yīng)過(guò)程往往涉及多種能量形式的轉(zhuǎn)化。力學(xué)與本章內(nèi)容結(jié)合的題目以及電學(xué)與本章結(jié)合的題目是復(fù)習(xí)中應(yīng)強(qiáng)化訓(xùn)練的重要內(nèi)容.本章重在考查學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)、分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力，綜合性強(qiáng)，能力要求高，在高考中常以壓軸題出現(xiàn)。電磁感應(yīng)的圖像問(wèn)題也是高考中常見(jiàn)的題型之一。
全章蘊(yùn)含了豐富的科學(xué)思維方法，如：歸納與演繹、抽象與概括、能的觀點(diǎn)、等效的方法、物理方法等。
三、好題精析
例1、近期《科學(xué)》中文版的文章介紹了一種新技術(shù)航天飛纜，航天飛纜是用柔性
纜索將兩個(gè)物體連接起來(lái)在太空飛行的系統(tǒng)。飛纜系統(tǒng)在太空飛行中能為自身提供電能和拖曳力，它還能清理太空垃圾等。從1967年至1999年的17次試驗(yàn)中，飛纜系統(tǒng)試驗(yàn)已獲得部分成功。該系統(tǒng)的工作原理可用物理學(xué)的基本定律來(lái)解釋。
下圖為飛纜系統(tǒng)的簡(jiǎn)化模型示意圖，圖中兩個(gè)物體P，Q的質(zhì)量分別為mp，mQ，柔性金屬纜索長(zhǎng)為Z，外有絕緣層，系統(tǒng)在近地軌道作圓周運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中Q距地面高為h。設(shè)纜索總保持指向地心，P的速度為p。已知地球半徑為R，地面的重力加速度為g。
(1)飛纜系統(tǒng)在地磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，地磁場(chǎng)在纜索所在處的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，方向垂直
于紙面向外。設(shè)纜索中無(wú)電流，問(wèn)纜索P、Q哪端電勢(shì)高?此問(wèn)中可認(rèn)為纜索各處的速度均近似等于p，求P、Q兩端的電勢(shì)差;
(2)設(shè)纜索的電阻為R1，如果纜索兩端物體P、Q通過(guò)周圍的電離層放電形成電流，相應(yīng)的電阻為R2，求纜索所受的安培力多大;
(3)求纜索對(duì)Q的拉力FQ。
例2、如圖所示，固定于水平桌面上的金屬框架cdef，處在豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，金屬棒ab擱在框架上，可無(wú)摩擦滑動(dòng)。此時(shí)，adeb構(gòu)成一個(gè)邊長(zhǎng)為l的正方形。棒的電阻為r，其余部分電阻不計(jì)。開(kāi)始時(shí)磁感強(qiáng)度為B0。
�、湃魪膖=0時(shí)刻起，磁感強(qiáng)度均勻增加，每秒增量為k，同時(shí)保持棒靜止。求棒中的感應(yīng)電流。在圖上標(biāo)出感應(yīng)電流的方向。
�、圃谏鲜觫徘闆r中。始終保持棒靜止，當(dāng)t=t1s末時(shí)需加的垂直于棒的水平拉力為多大?
�、侨魪膖=0時(shí)刻起，磁感強(qiáng)度逐漸減小，當(dāng)棒以恒定速度v。向右做勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，可使棒中不產(chǎn)生感應(yīng)電流，則磁感強(qiáng)度應(yīng)怎樣隨時(shí)間變化(寫出B與t的關(guān)系式)。
例3、圖中a1b1c1d1和a2b2c2d2為在同一豎直平面內(nèi)的金屬導(dǎo)軌，處在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于導(dǎo)軌所在平面(紙面)向里。導(dǎo)軌的a1b1段與a2b2段是豎直的，距離為l1;c1d1段與c2d2段也是豎直的，距離為l2。x1 y1與x2 y2為兩根用不可伸長(zhǎng)的絕緣輕線相連的金屬細(xì)桿，質(zhì)量分別為和m1和m2，它們都垂直于導(dǎo)軌并與導(dǎo)軌保持光滑接觸。兩桿與導(dǎo)軌構(gòu)成的回路的總電阻為R。F為作用于金屬桿x1y1上的豎直向上的恒力。已知兩桿運(yùn)動(dòng)到圖示位置時(shí)，已勻速向上運(yùn)動(dòng)，求此時(shí)作用于兩桿的重力的功率的大小和回路電阻上的熱功率。
例4、如圖所示，兩根豎直放置在絕緣地面上的金屬導(dǎo)軌的上端，接有一個(gè)電容為C的電容器，框架上有一質(zhì)量為m、長(zhǎng)為l的金屬棒，平行于地面放置，與框架接觸良好且無(wú)摩擦，棒離地面的高度為h，磁感強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)與框架平面垂直.開(kāi)始時(shí)，電容器不帶電.將金屬棒由靜止釋放，問(wèn)：棒落地時(shí)的速度為多大?(整個(gè)電路電阻不計(jì))
例5、在有線電話網(wǎng)中，電話機(jī)是通過(guò)兩條導(dǎo)線和電信局的交換機(jī)傳送和接收電信號(hào)。如果不采取措施，發(fā)話者的音頻信號(hào)必會(huì)傳到自己的受話器中，使自己聽(tīng)到自己的講話聲音，這就是側(cè)音。較大的側(cè)音會(huì)影響接聽(tīng)對(duì)方的講話，故必須減小或消除。如圖所示是一電話機(jī)的消側(cè)音電路與交換機(jī)的連接示意圖。圖中的兩個(gè)變壓器是完全相同的，a、b、c、d、e、f六個(gè)線圈的匝數(shù)相同。打電話時(shí)，對(duì)著話筒發(fā)話，把放大后的音頻電壓加到變壓器的線圈a，從線圈c和b輸出大小相等但隨聲頻變化的電壓，c兩端的電壓產(chǎn)生的電流IL通過(guò)線圈e和兩導(dǎo)線L、電信局的交換機(jī)構(gòu)成回路，再通過(guò)交換機(jī)傳到對(duì)方電話機(jī),對(duì)方就聽(tīng)到發(fā)話者的聲音。同時(shí)由于線圈e中有電流通過(guò)，在線圈f中也會(huì)有電壓輸出，放大后在自己的電話機(jī)的受話器上發(fā)出自己的講話聲，這就是上面講的側(cè)音。為了消除這個(gè)側(cè)音，可以把線圈b的電壓加在線圈d上，并通過(guò)R調(diào)節(jié)d中的電流Id。那么為達(dá)到消側(cè)音的目的，1應(yīng)與( )相接;4應(yīng)與( )相接，并使Id ( )IL(填小于、大于、或等于)。對(duì)方講話時(shí)，音頻電壓通過(guò)交換機(jī)和兩條導(dǎo)線L加到本機(jī)，那么通過(guò)R的電流為多少?
四、變式遷移
1、兩根足夠長(zhǎng)的固定的平行金屬導(dǎo)軌位于同一水平面內(nèi)，兩導(dǎo)軌間的距離為L(zhǎng)。導(dǎo)軌上面橫放著兩根導(dǎo)體棒ab和cd，構(gòu)成矩形回路，如圖所示.兩根導(dǎo)體棒的質(zhì)量皆為m，電阻皆為R，回路中其余部分的電阻可不計(jì).在整個(gè)導(dǎo)軌平面內(nèi)都有豎直向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B.設(shè)兩導(dǎo)體棒均可沿導(dǎo)軌無(wú)摩擦地滑行.開(kāi)始時(shí)，棒cd靜止，棒ab有指向棒cd的初速度v0.若兩導(dǎo)體棒在運(yùn)動(dòng)中始終不接觸，求：
(1)在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的焦耳熱最多是多少.
(2)當(dāng)ab棒的速度變?yōu)槌跛俣鹊?/4時(shí)，cd棒的加速度是多少?
2、如下圖所示，固定在豎直平面內(nèi)的兩根平行金屬導(dǎo)軌的間距為L(zhǎng)，上端連一電容為C的電容器，其耐壓足夠大。空間有垂直于導(dǎo)軌平面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，其磁感強(qiáng)度為B。一根質(zhì)量為m的金屬桿PP水平地卡在導(dǎo)軌上，釋放后，此桿沿導(dǎo)軌無(wú)摩擦地下滑。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，到圖示時(shí)刻其下落速度為v1。假定導(dǎo)軌足夠長(zhǎng)，導(dǎo)軌、金屬桿和連接導(dǎo)線的電阻均可忽略。
試求：金屬板PP的速度從v1變化到v2的過(guò)程中，電容器吸收的能量△ E。
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