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物理图像能形象且直观的描述物理规律,要求学生能从图形中提取信息后推理、分析来解决问题,对学生的能力要求较高,且在高考中出现的频率较高下面就电磁感性中的图像问题讨论以下应用。
注意事项:1、定性或定量地表示出所研究问题的函数关系
2、在图象中E、I、B等物理量的方向是通过正负值来反映
3、画图象时要注意横、纵坐标的单位长度定义或表达
一、反映感应电流强度随时间的变化规律
例1如图1—1,一宽40cm的匀强磁场区域,磁场方向垂直纸面向里。一边长为20cm的正方形导线框位于纸面内,以垂直于磁场边界的恒定
速度v=20cm/s通过磁场区域,在运动过程中,线框有一边始
终与磁场区域的边界平行。取它刚进入磁场的时刻t=0,在图
1-2所示的下列图线中,正确反映感应电流强度随时间变化规
律的是( )
分析:本题要求能正确分解线框的运动过程(包括部分进入、全部进入、部分离开、全部离开),分析运动过程中的电磁感应现象,确定感应电流的大小和方向。
线框在进入磁场的过程中,线框的右边作切割磁感线运动,产生感应电动势,从而在整个回路中产生感应电流,由于线框作匀速直线运动,其感应电流的大小是恒定的,由右手定则,可判断感应电流的方向是逆时针的,该过程的持续时间为t=(20/20)s=1s。
线框全部进入磁场以后,左右两条边同时作切割磁感线运动,产生反向的感应电动势,相当于两个相同的电池反向连接,以致回路的总感应电动势为零,电流为零,该过程的时间也为1s。而当线框部分离开磁场时,只有线框的左边作切割磁感线运动,感应电流的大小与部分进入时相同,但方向变为顺时针,历时也为1s。正确答案:C
评注(1)线框运动过程分析和电磁感应的过程是密切关联的,应借助于运动过程的分析来深化对电磁感应过程的分析;(2)运用E=Blv求得的是闭合回路一部分产生的感应电动势,而整个电路的总感应电动势则是回路各部分所产生的感应电动势的代数和。
二、判断感应电流的方向
例3一匀强磁场,磁场方向垂直纸面,规定向里的方向为正。在磁场中有一细金属圆环,线圈平面位于纸面内,如图3—1所示,现令磁感应强度B随时间t变化,先按图3—2中所示的Oa图线变化,后来又按图线bc和cd变化,令ε1,ε2,ε3分别表示这三段变化过程中感应电动势的大小,I1、I2、I3分别表示对应的感应电流,则( )
A.ε1>ε2,I1沿逆时针方向,I2沿顺时针方向
B.ε1<ε2,I1沿逆时针方向,I2沿顺时针方向
C.ε1<ε2,I1沿顺时针方向,I2沿逆时针方向
D.ε1=ε2,I1沿顺时针方向,I2沿顺时针方向
分析: 本题要求讨论穿过线圈的磁感应强度的变化而引起的电磁感应现象问题,研究的思路是:抓住磁场变化的不同阶段,应用法拉第电磁感应定律和楞次定律判断感应电动势的大小和方向。
在Oa时间段中,磁场向里均匀增加,由楞次定律和右手螺旋定则可判定,感应电流I1为逆时针方向,设a、b两时刻的磁感强度为B,则ε1=△φ/△t=(△B/△t)S=BS/4。
在bc段中,磁场向里均匀减小,由楞次定律和右手螺旋定则可判定,感应电流I2为顺时针方向,ε2=△φ/△t=(△B/△t)S=BS。
在cd段中,磁场向外均匀增加,由楞次定律和右手螺旋定则可判定,感应电流I3为顺时针方向,由于该段斜率与bc段相同,因此ε2=ε3。正确答案:BD
评注对电磁感应物理过程的分析是研究和求解电磁感应问题的关键。值得注意的是:本题中从bc段到cd段,虽然磁感强度的方向发生了变化,而感应电流的方向并没有发生变化,如果我们不切实际的想当然,往往会误入歧途。
三、判断其它物理量的大小和方向
例4如图4(a),圆形线圈P静止在水平桌面上,其正上方悬挂一相同的线圈Q,P和Q共轴。Q中通有变化的电流,电流随时间变化的规律如图4(b)所示。P受重力为G,桌面对P的支持力为N,则( )
A.t1时刻N>G B.t2时刻N>G C.t3时刻N 分析:本题通过图像来传递关于电磁感应的有关信息,解题时我们要抓住图像给我们的关键的过程信息。
由图像可知时刻t1在Q中的电流增大阶段,假设Q中的电流向某一方向为正方向,由楞次定律,在P中引起的感应电流与Q中电流方向相反,在两线圈中产生相互作用力为斥力,N>G。
时刻t2在Q中电流不变阶段,P中不能引起电流,N=G。
时刻t3在Q中电流减小阶段,P中引起了感应电流,但此时Q中电流为0,因此无法实现相互作用,N=G。
时刻t4与时刻t2情况相同,N=G。
评注图像是数理综合的一个重要窗口,在运用图像解决物理问题时,首要问题是能解读图像中的关键信息(尤其是过程信息);其次要能有效地实现物理信息和数学信息的相互转换。如本题中电流为零的t3时刻的分析,对我们提出了较高的要求。
(陕西省洋县中学)
注意事项:1、定性或定量地表示出所研究问题的函数关系
2、在图象中E、I、B等物理量的方向是通过正负值来反映
3、画图象时要注意横、纵坐标的单位长度定义或表达
一、反映感应电流强度随时间的变化规律
例1如图1—1,一宽40cm的匀强磁场区域,磁场方向垂直纸面向里。一边长为20cm的正方形导线框位于纸面内,以垂直于磁场边界的恒定
速度v=20cm/s通过磁场区域,在运动过程中,线框有一边始
终与磁场区域的边界平行。取它刚进入磁场的时刻t=0,在图
1-2所示的下列图线中,正确反映感应电流强度随时间变化规
律的是( )
分析:本题要求能正确分解线框的运动过程(包括部分进入、全部进入、部分离开、全部离开),分析运动过程中的电磁感应现象,确定感应电流的大小和方向。
线框在进入磁场的过程中,线框的右边作切割磁感线运动,产生感应电动势,从而在整个回路中产生感应电流,由于线框作匀速直线运动,其感应电流的大小是恒定的,由右手定则,可判断感应电流的方向是逆时针的,该过程的持续时间为t=(20/20)s=1s。
线框全部进入磁场以后,左右两条边同时作切割磁感线运动,产生反向的感应电动势,相当于两个相同的电池反向连接,以致回路的总感应电动势为零,电流为零,该过程的时间也为1s。而当线框部分离开磁场时,只有线框的左边作切割磁感线运动,感应电流的大小与部分进入时相同,但方向变为顺时针,历时也为1s。正确答案:C
评注(1)线框运动过程分析和电磁感应的过程是密切关联的,应借助于运动过程的分析来深化对电磁感应过程的分析;(2)运用E=Blv求得的是闭合回路一部分产生的感应电动势,而整个电路的总感应电动势则是回路各部分所产生的感应电动势的代数和。
二、判断感应电流的方向
例3一匀强磁场,磁场方向垂直纸面,规定向里的方向为正。在磁场中有一细金属圆环,线圈平面位于纸面内,如图3—1所示,现令磁感应强度B随时间t变化,先按图3—2中所示的Oa图线变化,后来又按图线bc和cd变化,令ε1,ε2,ε3分别表示这三段变化过程中感应电动势的大小,I1、I2、I3分别表示对应的感应电流,则( )
A.ε1>ε2,I1沿逆时针方向,I2沿顺时针方向
B.ε1<ε2,I1沿逆时针方向,I2沿顺时针方向
C.ε1<ε2,I1沿顺时针方向,I2沿逆时针方向
D.ε1=ε2,I1沿顺时针方向,I2沿顺时针方向
分析: 本题要求讨论穿过线圈的磁感应强度的变化而引起的电磁感应现象问题,研究的思路是:抓住磁场变化的不同阶段,应用法拉第电磁感应定律和楞次定律判断感应电动势的大小和方向。
在Oa时间段中,磁场向里均匀增加,由楞次定律和右手螺旋定则可判定,感应电流I1为逆时针方向,设a、b两时刻的磁感强度为B,则ε1=△φ/△t=(△B/△t)S=BS/4。
在bc段中,磁场向里均匀减小,由楞次定律和右手螺旋定则可判定,感应电流I2为顺时针方向,ε2=△φ/△t=(△B/△t)S=BS。
在cd段中,磁场向外均匀增加,由楞次定律和右手螺旋定则可判定,感应电流I3为顺时针方向,由于该段斜率与bc段相同,因此ε2=ε3。正确答案:BD
评注对电磁感应物理过程的分析是研究和求解电磁感应问题的关键。值得注意的是:本题中从bc段到cd段,虽然磁感强度的方向发生了变化,而感应电流的方向并没有发生变化,如果我们不切实际的想当然,往往会误入歧途。
三、判断其它物理量的大小和方向
例4如图4(a),圆形线圈P静止在水平桌面上,其正上方悬挂一相同的线圈Q,P和Q共轴。Q中通有变化的电流,电流随时间变化的规律如图4(b)所示。P受重力为G,桌面对P的支持力为N,则( )
A.t1时刻N>G B.t2时刻N>G C.t3时刻N
由图像可知时刻t1在Q中的电流增大阶段,假设Q中的电流向某一方向为正方向,由楞次定律,在P中引起的感应电流与Q中电流方向相反,在两线圈中产生相互作用力为斥力,N>G。
时刻t2在Q中电流不变阶段,P中不能引起电流,N=G。
时刻t3在Q中电流减小阶段,P中引起了感应电流,但此时Q中电流为0,因此无法实现相互作用,N=G。
时刻t4与时刻t2情况相同,N=G。
评注图像是数理综合的一个重要窗口,在运用图像解决物理问题时,首要问题是能解读图像中的关键信息(尤其是过程信息);其次要能有效地实现物理信息和数学信息的相互转换。如本题中电流为零的t3时刻的分析,对我们提出了较高的要求。
(陕西省洋县中学)