专题12 电磁感应-高考物理一轮复习知识清单（全国通用）

这是一份专题12 电磁感应-高考物理一轮复习知识清单（全国通用），共39页。试卷主要包含了“三定则等内容，欢迎下载使用。

TOC \ "1-2" \h \u \l "_Tc3496" 知识点01 电磁感应现象 PAGEREF _Tc3496 \h 3
\l "_Tc11330" 一、电磁感应现象及感应电流 PAGEREF _Tc11330 \h 3
\l "_Tc26644" 二、产生感应电流的条件 PAGEREF _Tc26644 \h 3
\l "_Tc8689" 三、楞次定律 PAGEREF _Tc8689 \h 3
\l "_Tc20434" 四、右手定则 PAGEREF _Tc20434 \h 5
\l "_Tc2417" 五、“三定则、一定律”的应用 PAGEREF _Tc2417 \h 6
\l "_Tc20925" 知识点02 法拉第电磁感应定律 PAGEREF _Tc20925 \h 6
\l "_Tc7314" 一、感应电动势 PAGEREF _Tc7314 \h 6
\l "_Tc1875" 二、法拉第电磁感应定律 PAGEREF _Tc1875 \h 7
\l "_Tc516" 三、导体切割磁感线的感应电动势 PAGEREF _Tc516 \h 8
\l "_Tc19211" 四、电磁感应中的电路问题 PAGEREF _Tc19211 \h 10
\l "_Tc18132" 五、电磁感应现象中的力学问题 PAGEREF _Tc18132 \h 14
\l "_Tc2123" 六、电磁感应中能量转化问题 PAGEREF _Tc2123 \h 16
\l "_Tc14627" 七、动量定理在电磁感应中的应用 PAGEREF _Tc14627 \h 22
\l "_Tc19413" 八、电磁感应中图像问题 PAGEREF _Tc19413 \h 23
\l "_Tc21823" 九、杆、导轨模型 PAGEREF _Tc21823 \h 25
\l "_Tc8433" 知识点03 电磁感应现象及其应用 PAGEREF _Tc8433 \h 35
\l "_Tc16573" 一、互感现象 PAGEREF _Tc16573 \h 35
\l "_Tc26784" 二、自感现象 PAGEREF _Tc26784 \h 35
\l "_Tc27475" 三、涡流现象 PAGEREF _Tc27475 \h 36
\l "_Tc915" 四、电磁阻尼 PAGEREF _Tc915 \h 37
\l "_Tc27514" 五、电磁驱动 PAGEREF _Tc27514 \h 38
\l "_Tc11458" 六、日光灯工作原理 PAGEREF _Tc11458 \h 38
知识点01 电磁感应现象
一、电磁感应现象及感应电流
当穿过闭合导体回路的磁通量发生变化时，闭合导体回路中有感应电流产生，这种利用磁场产生电流的现象叫做电磁感应．产生的电流叫做感应电流.
二、产生感应电流的条件
穿过闭合电路的磁通量发生变化，即.
【技巧点拨】电磁感应现象的实质是产生感应电动势，如果回路闭合，则有感应电流，回路不闭合，则只有感应电动势而无感应电流.
三、楞次定律
1.内容:感应电流的磁场，总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化.
【技巧点拨】楞次定律适用于一般情况的感应电流方向的判定，而右手定则只适用于导线切割磁感线运动的情况，此种情况用右手定则判定比用楞次定律判定简便.
2.对楞次定律的理解
①谁阻碍谁———感应电流的磁通量阻碍产生感应电流的磁通量.
②阻碍什么———阻碍的是穿过回路的磁通量的变化，而不是磁通量本身.
③如何阻碍———原磁通量增加时，感应电流的磁场方向与原磁场方向相反;当原磁通量减少时，感应电流的磁场方向与原磁场方向相同，即“增反减同”.
④阻碍的结果———阻碍并不是阻止，结果是增加的还增加，减少的还减少.
3.楞次定律的另一种表述:感应电流总是阻碍产生它的那个原因，表现形式有三种:
①阻碍原磁通量的变化;②阻碍物体间的相对运动;③阻碍原电流的变化（自感）.
4.适用范围：一切电磁感应现象．
5.应用楞次定律的思路
①原磁场：原磁场的方向
②原磁通量：原磁场磁通量的变化
③感应磁场：通过楞次定律判断感应电流的磁场方向
④感应电流：通过安培定则判断感应电流的方向
6.楞次定律的推论:（实质上都是以不同的方式阻碍磁通量的变化）
①“增反减同”： 阻碍原磁通量变化
例如：磁铁靠近线圈，B感与B原方向相反
②“来拒去留”： 阻碍相对运动
例如：
磁铁靠近，是斥力 磁铁远离，是引力
③“增缩减扩”： 使回路面积有扩大或缩小的趋势
例如：P、Q是光滑固定导轨，a、b是可动金属棒，磁铁下移，a、b靠近
④“增离减靠”： 使闭合线圈远离或靠近磁体
例如：当开关S闭合时，左环向左摆动、右环向右摆动，远离通电线圈
⑤“增反减同”： 自感电动势阻碍原电流的变化
例如：合上S，B先亮
【实战演练】
(2022·北京卷·11)如图所示平面内，在通有图示方向电流I的长直导线右侧，固定一矩形金属线框abcd，ad边与导线平行．调节电流I使得空间各点的磁感应强度随时间均匀增加，则( )
A．线框中产生的感应电流方向为a→b→c→d→a
B．线框中产生的感应电流逐渐增大
C．线框ad边所受的安培力大小恒定
D．线框整体受到的安培力方向水平向右
【答案】D
【解析】根据安培定则可知，通电直导线右侧的磁场方向垂直于纸面向里，磁感应强度随时间均匀增加，根据楞次定律可知线框中产生的感应电流方向为a→d→c→b→a，A错误；线框中产生的感应电流为I＝eq \f(E,R)＝neq \f(ΔΦ,RΔt)＝neq \f(S,R)·eq \f(ΔB,Δt)，空间各点的磁感应强度随时间均匀增加，故线框中产生的感应电流不变，B错误；线框ad边感应电流保持不变，磁感应强度随时间均匀增加，根据安培力表达式F安＝BIL，故所受的安培力变大，C错误；根据楞次定律的推论增离减靠可知，线框向右远离通电直导线，故线框整体受到的安培力方向水平向右，D正确．
四、右手定则
1.内容：如图，伸开右手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一个平面内；让磁感线从掌心进入，并使拇指指向导线运动的方向，这时四指所指的方向就是感应电流的方向．
2.适用情况：导线切割磁感线产生感应电流．
3.该方法只适用于导体切割磁感线产生的感应电流，注意三个要点：
①掌心——磁感线穿入；
②拇指——指向导体运动的方向；
③四指——指向感应电流的方向．
五、“三定则、一定律”的应用
1．“三个定则”“一个定律”的比较
2.“三个定则”和“一个定律”的因果关系
①因电而生磁(I→B)→安培定则；
②因动而生电(v、B→I)→右手定则；
③因电而受力(I、B→F)→左手定则；
④因磁而生电(S、B→I)→楞次定律．
3．解题思路
①应用楞次定律时，一般要用到安培定则来分析原来磁场的分布情况．
②研究感应电流受到的安培力，一般先用右手定则确定电流方向，再用左手定则确定安培力的方向，或者直接应用楞次定律的推论确定．
③“三定则、一定律”中只要是涉及力的判断都用左手判断，涉及“电生磁”或“磁生电”的判断都用右手判断，即“左力右电”．
【技巧点拨】“三个效应”
①电流热效应：焦耳，当电流通过电阻时，电流做功而消耗电能，产生了热量。
②电流磁效应：奥斯特，任何通有电流的导线，都可以在其周围产生磁场的现象。
③电磁感应：法拉第，放在变化磁通量中的导体，会产生电动势。
知识点02 法拉第电磁感应定律
一、感应电动势
1.感应电动势：在电磁感应现象中产生的电动势．
2.产生条件：穿过回路的磁通量发生改变，与电路是否闭合无关．
【技巧点拨】无论回路是否闭合，只要穿过线圈平面的磁通量发生变化，线路中就有感应电动势.产生感应电动势的那部分导体相当于电源.
二、法拉第电磁感应定律
1.内容：电路中感应电动势的大小，跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比.
2.公式： ，其中n为线圈匝数．
【技巧点拨】
①E的大小与无关，决定于磁通量的变化率.
②当仅由的变化引起时，，其中S为线圈在磁场中的有效面积．若，则.
③当仅由的变化引起时，
④当、同时变化时，则.
⑤若已知Φ－t图象，则图线上某一点的切线斜率为.
【实战演练】
(2022·江苏卷·5)如图所示，半径为r的圆形区域内有垂直于纸面的匀强磁场，磁感应强度B随时间t的变化关系为B＝B0＋kt，B0、k为常量，则图中半径为R的单匝圆形线圈中产生的感应电动势大小为( )
A．πkr2 B．πkR2
C．πB0r2 D．πB0R2
【答案】A
【解析】由题意可知磁场的变化率为eq \f(ΔB,Δt)＝eq \f(kt,t)＝k，根据法拉第电磁感应定律可知E＝eq \f(ΔΦ,Δt)＝eq \f(ΔBπr2,Δt)＝kπr2，故选A.
【技巧点拨】
①磁感应强度B：描述磁场强弱和方向的物理量，是矢量
②磁通量Ф：穿过回路的磁感线条数的代数和，是标量
③磁通量△Ф＝ Ф末－ Ф初：穿过回路的磁通量变化了多少
④磁通量变化率△Ф/Δt：穿过回路的磁通量变化的快慢
三、导体切割磁感线的感应电动势
1.导体平动切割磁感线
当导体做切割磁感线运动时，其感应电动势的计算公式为.
当三者两两垂直时，感应电动势.
式中①有效长度：公式中的为导体切割磁感线的有效长度．如图中，导体的有效长度分别为：
图甲：.
图乙：沿v1方向运动时，.
图丙：沿v1方向运动时，；沿v2方向运动时，.
图丁： .
②相对速度：中的速度v是导体相对磁场的速度，若磁场也在运动，应注意速度间的相对关系．
【实战演练】
(2023·浙江1月选考·7)如图甲所示，一导体杆用两条等长细导线悬挂于水平轴OO′，接入电阻R构成回路。导体杆处于竖直向上的匀强磁场中，将导体杆从竖直位置拉开小角度由静止释放，导体杆开始下摆。当R=R0时，导体杆振动图像如图乙所示。若横纵坐标皆采用图乙标度，则当R=2R0时，导体杆振动图像是( )
A. B. C. D.
【答案】B
【解析】解：导体杆切割磁感线时，回路中产生感应电流，由楞次定律可得，导体杆受到的安培力总是阻碍导体棒的运动。
当电阻R从R0变为2R0时，回路中的电阻增大，则电流减小，导体杆所受安培力减小，即导体杆在摆动时所受的阻力减弱，所杆从开始摆动到停止，运动的路程和经历的时间变长，故B正确，ACD错误。
2.导体转动切割磁感线：
①如图所示，当长为的导体在垂直于匀强磁场(磁感应强度为B)的平面内，绕一端以角速度匀速转动，当导体运动Δt时间后，转过的弧度，转过的面积，则.
②若绕0转动，OA=L1，OC=L2则
【技巧点拨】
①两个公式的选用方法计算的是在时间内的平均电动势，只有当磁通量的变化率是恒定不变时，它算出的才是瞬时电动势.
②中的v若为瞬时速度，则算出的就是瞬时电动势:若v为平均速度，算出的就是平均电动势.
【实战演练】
(2023·江苏卷·8)如图所示，圆形区域内有垂直纸面向里的匀强磁场，OC导体棒的O端位于圆心，棒的中点A位于磁场区域的边缘。现使导体棒绕O点在纸面内逆时针转动。O、A、C点电势分别为φO、φA、φC，则( )
A. φO>φCB. φC>φA
C. φO=φAD. φO−φA=φA−φC
【答案】A
【解析】解：根据右手定则可知，在OA段电流的方向从A点流向O点，在电源内部，电流从负极流向正极，则O点的电势大于C点的电势，在AC段，导体棒没有切割磁感线，则不产生电流，因此A点的电势和C点的电势相等，因此φO>φA=φC，故A正确，BCD错误；
四、电磁感应中的电路问题
在电磁感应中，切割磁感线的导体或磁通量发生变化的回路将产生感应电动势，该导体或回路就相当于电源，将它们接上电容器，便可使电容器充电;将它们接上电阻等用电器，便可对用电器供电，在回路中形成电流.因此，电磁感应问题往往与电路问题联系在一起
1．电源与电阻
①电源：做切割磁感线运动的导体或磁通量发生变化的回路相当于电源，
Ⅰ、动生问题(棒切割磁感线)产生的电动势,方向由右手定则判断.
Ⅱ、感生问题(磁感应强度的变化)的电动势,方向由楞次定律判断.而电流方向都是由等效电源内部负极流向正极的方向.
②电阻：产生感应电动势的导体或回路的电阻相当于电源的内阻，其余部分的电阻是外电阻
③路端电压：或
④感应电流：，为电源部分内阻.
【实战演练】
(2022·全国甲卷·16)三个用同样的细导线做成的刚性闭合线框，正方形线框的边长与圆线框的直径相等，圆线框的半径与正六边形线框的边长相等，如图所示．把它们放入磁感应强度随时间线性变化的同一匀强磁场中，线框所在平面均与磁场方向垂直，正方形、圆形和正六边形线框中感应电流的大小分别为I1、I2和I3.则( )
A．I1I2 C．I1＝I2>I3 D．I1＝I2＝I3
【答案】C
【解析】设圆线框的半径为r，则由题意可知正方形线框的边长为2r，正六边形线框的边长为r；所以圆线框的周长为C2＝2πr，面积为S2＝πr2.同理可知正方形线框的周长和面积分别为C1＝8r，S1＝4r2，正六边形线框的周长和面积分别为C3＝6r，S3＝eq \f(3\r(3)r2,2)，三个线框材料粗细相同，根据电阻定律R＝ρeq \f(L,S横截面)，可知三个线框电阻之比为
R1∶R2∶R3＝C1∶C2∶C3＝8∶2π∶6
根据法拉第电磁感应定律有I＝eq \f(E,R)＝eq \f(ΔB,Δt)·eq \f(S,R)
可得电流之比为I1∶I2∶I3＝2∶2∶eq \r(3)
即I1＝I2>I3，故选C.
⑤通过回路截面的电荷量q:仅与和回路电阻有关,与时间长短无关,与是否均匀变化无关.推导如下: .
【技巧点拨】求电荷量q的方法
①适合恒定电流问题：
②电流为平均电流：
③已知通电导体的位移x和导轨间距
④通过动量定理求解：
3.解题思路
①“源”的分析：用法拉第电磁感应定律算出E的大小，用楞次定律或右手定则确定感应电流的方向(感应电流方向是电源内部电流的方向)，从而确定电源正负极，明确内阻r.
②“路”的分析：根据“等效电源”和电路中其他各元件的连接方式画出等效电路．
③根据或，结合闭合电路欧姆定律、串并联电路知识、电功率、焦耳定律等相关关系式联立求解．
4．电磁感应中电路知识的关系图

【实战演练】
(2020·浙江7月选考·12)如图所示，固定在水平面上的半径为r的金属圆环内存在方向竖直向上、磁感应强度大小为B的匀强磁场．长为l的金属棒，一端与圆环接触良好，另一端固定在竖直导电转轴OO′上，随轴以角速度ω匀速转动．在圆环的A点和电刷间接有阻值为R的电阻和电容为C、板间距为d的平行板电容器，有一带电微粒在电容器极板间处于静止状态．已知重力加速度为g，不计其他电阻和摩擦，下列说法正确的是( )
A．棒产生的电动势为eq \f(1,2)Bl2ω B．微粒的电荷量与质量之比为eq \f(2gd,Br2ω)
C．电阻消耗的电功率为eq \f(πB2r4ω,2R) D．电容器所带的电荷量为CBr2ω
【答案】B
【解析】由法拉第电磁感应定律知棒产生的电动势U＝eq \f(1,2)Br2ω，故A错误；对极板间微粒受力分析，如图所示，微粒静止，则mg＝qE
＝qeq \f(U′,d)，得eq \f(q,m)＝eq \f(gd,U′)，而电容器两极板间电势差与电源电动势相等，即U＝U′，故eq \f(q,m)＝eq \f(2gd,Br2ω)，故B正确；电路中电流I＝eq \f(U,R)＝eq \f(Br2ω,2R)，则电阻R消耗的电功率P＝I2R＝eq \f(B2r4ω2,4R)，故C错误；电容器所带的电荷量Q＝CU′＝eq \f(CBr2ω,2)，故D错误．
【实战演练】
(2021·浙江1月选考·21)嫦娥五号成功实现月球着陆和返回，鼓舞人心．小明知道月球上没有空气，无法靠降落伞减速降落，于是设计了一种新型着陆装置．如图所示，该装置由船舱、间距为l的平行导轨、产生垂直导轨平面的磁感应强度大小为B的匀强磁场的磁体和“∧”型刚性线框组成，“∧”型线框ab边可沿导轨滑动并接触良好．船舱、导轨和磁体固定在一起，总质量为m1.整个装置竖直着陆到月球表面前瞬间的速度大小为v0，接触月球表面后线框速度立即变为零．经过减速，在导轨下方缓冲弹簧接触月球表面前船舱已可视为匀速．已知船舱电阻为3r；“∧”型线框的质量为m2，其7条边的边长均为l，电阻均为r；月球表面的重力加速度为eq \f(g,6).整个运动过程中只有ab边在磁场中，线框与月球表面绝缘，不计导轨电阻和摩擦阻力．
(1)求着陆装置接触到月球表面后瞬间线框ab边产生的电动势E0；
(2)通过画等效电路图，求着陆装置接触到月球表面后瞬间流过ab的电流I0；
(3)求船舱匀速运动时的速度大小v；
(4)同桌小张认为在磁场上方、两导轨之间连接一个电容为C的电容器，在着陆减速过程中还可以回收部分能量，在其他条件均不变的情况下，求船舱匀速运动时的速度大小v′和此时电容器所带电荷量q.
【解析】(1)电动势E0＝Blv0
(2)等效电路图如图所示，可得总电阻R＝2r
电流I0＝eq \f(E0,R)＝eq \f(Blv0,2r)
(3)船舱匀速运动时线框受到安培力
FA＝eq \f(B2l2v,2r)
根据牛顿第三定律，质量为m1的部分受力F＝FA，方向竖直向上
匀速运动时有：F＝eq \f(m1g,6)
联立解得v＝eq \f(m1gr,3B2l2)
(4)船舱匀速运动时电容器不充放电，
故v′＝v＝eq \f(m1gr,3B2l2)
则I＝eq \f(Blv,R)＝eq \f(m1g,6Bl)
UC＝eq \f(1,3)I×3r＝eq \f(m1gr,6Bl)
则q＝CUC＝eq \f(m1grC,6Bl).
五、电磁感应现象中的力学问题
1．导体的两种运动状态
①导体的平衡状态——静止状态或匀速直线运动状态．
处理方法：根据平衡条件列式分析．
②导体的非平衡状态——加速度不为零．
处理方法：根据牛顿第二定律进行动态分析或结合功能关系分析．
2．力学对象和电学对象的相互关系
3．用动力学观点解答电磁感应问题的一般步骤
①“源”的分析：用法拉第电磁感应定律和楞次定律确定感应电动势的大小和方向
②“路”的分析：画等效电路图，根据，求感应电流
③“力”的分析：受力分析，求及合力，根据牛顿第二定律求加速度
④“运动状态”的分析：根据力与运动的关系，判断运动状态
4.解决这类问题的关键是通过运动状态的分析,寻找过程中的临界状态,如速度、加速度最大或最小的条件.解题时要抓好受力情况，运动情况的动态分析
导体受力运动产生感应电动势→感应电流→通电导体受安培力→合外力变化→加速度变化→速度变化→周而复始地循环，循环结束时，加速度等于零，导体达稳定运动状态，抓住a=0时，速度v达最大值的特点。
【实战演练】
(2021·全国甲卷·21)(多选)由相同材料的导线绕成边长相同的甲、乙两个正方形闭合线圈，两线圈的质量相等，但所用导线的横截面积不同，甲线圈的匝数是乙的2倍．现两线圈在竖直平面内从同一高度同时由静止开始下落，一段时间后进入一方向垂直于纸面的匀强磁场区域，磁场的上边界水平，如图所示．不计空气阻力，已知下落过程中线圈始终平行于纸面，上、下边保持水平．在线圈下边进入磁场后且上边进入磁场前，可能出现的是( )
A．甲和乙都加速运动 B．甲和乙都减速运动
C．甲加速运动，乙减速运动 D．甲减速运动，乙加速运动
【答案】AB
【解析】设线圈下边到磁场上边界的高度为h，线圈的边长为l，则线圈下边刚进入磁场时，有v＝eq \r(2gh)，
感应电动势为E＝nBlv，
两线圈材料相同(设密度为ρ0)，质量相同(设为m)，则m＝ρ0×4nl×S，
设材料的电阻率为ρ，则线圈电阻
R＝ρeq \f(4nl,S)＝eq \f(16n2l2ρρ0,m)
感应电流为I＝eq \f(E,R)＝eq \f(mBv,16nlρρ0)
所受安培力大小为F＝nBIl＝eq \f(mB2v,16ρρ0)
由牛顿第二定律有mg－F＝ma
联立解得a＝g－eq \f(F,m)＝g－eq \f(B2v,16ρρ0)
加速度与线圈的匝数、横截面积无关，则甲和乙进入磁场时，具有相同的加速度．
当g>eq \f(B2v,16ρρ0)时，甲和乙都加速运动，
当gI1,则灯泡闪亮后逐渐变暗.两种情况灯泡中电流方向均改变