高中高考物理專題復(fù)習(xí)專題4---電場(chǎng)、磁場(chǎng)和能量轉(zhuǎn)化.doc

考點(diǎn)4 電場(chǎng)、磁場(chǎng)和能量轉(zhuǎn)化山東 賈玉兵命題趨勢(shì)電場(chǎng)、磁場(chǎng)和能量的轉(zhuǎn)化是中學(xué)物理重點(diǎn)內(nèi)容之一，分析近十年來(lái)高考物理試卷可知，這部分知識(shí)在高考試題中的比例約占13%，幾乎年年都考，從考試題型上看，既有選擇題和填空題，也有實(shí)驗(yàn)題和計(jì)算題；從試題的難度上看，多屬于中等難度和較難的題，特別是只要有計(jì)算題出現(xiàn)就一定是難度較大的綜合題；由于高考的命題指導(dǎo)思想已把對(duì)能力的考查放在首位，因而在試題的選材、條件設(shè)置等方面都會(huì)有新的變化，將本學(xué)科知識(shí)與社會(huì)生活、生產(chǎn)實(shí)際和科學(xué)技術(shù)相聯(lián)系的試題將會(huì)越來(lái)越多，而這塊內(nèi)容不僅可以考查多學(xué)科知識(shí)的綜合運(yùn)用，更是對(duì)學(xué)生實(shí)際應(yīng)用知識(shí)能力的考查，因此在復(fù)習(xí)中應(yīng)引起足夠重視。知識(shí)概要電、磁場(chǎng)中的功和能電場(chǎng)中的功和能電勢(shì)能由電荷間的相對(duì)位置決定，數(shù)值具有相對(duì)性，常取無(wú)限遠(yuǎn)處或大地為電勢(shì)能的零點(diǎn)。重要的不是電勢(shì)能的值，是其變化量電場(chǎng)力的功 與路徑無(wú)關(guān)，僅與電荷移動(dòng)的始末位置有關(guān)：W=qU電場(chǎng)力的功和電勢(shì)能的變化電場(chǎng)力做正功 電勢(shì)能 其他能電場(chǎng)力做負(fù)功 其他能 電勢(shì)能轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化磁場(chǎng)中的功和能洛倫茲力不做功安培力的功做正功：電能 機(jī)械能，如電動(dòng)機(jī)做負(fù)功：機(jī)械能 電能，如發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)化能量及其相互轉(zhuǎn)化是貫穿整個(gè)高中物理的一條主線，在電場(chǎng)、磁場(chǎng)中，也是分析解決問題的重要物理原理。在電場(chǎng)、磁場(chǎng)的問題中，既會(huì)涉及其他領(lǐng)域中的功和能，又會(huì)涉及電場(chǎng)、磁場(chǎng)本身的功和能，相關(guān)知識(shí)如下表：如果帶電粒子僅受電場(chǎng)力和磁場(chǎng)力作用，則運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，帶電粒子的動(dòng)能和電勢(shì)能之間相互轉(zhuǎn)化，總量守恒；如果帶電粒子受電場(chǎng)力、磁場(chǎng)力之外，還受重力、彈簧彈力等，但沒有摩擦力做功，帶電粒子的電勢(shì)能和機(jī)械能的總量守恒；更為一般的情況，除了電場(chǎng)力做功外，還有重力、摩擦力等做功，如選用動(dòng)能定理，則要分清有哪些力做功？做的是正功還是負(fù)功？是恒力功還是變力功？還要確定初態(tài)動(dòng)能和末態(tài)動(dòng)能；如選用能量守恒定律，則要分清有哪種形式的能在增加，那種形式的能在減少？發(fā)生了怎樣的能量轉(zhuǎn)化？能量守恒的表達(dá)式可以是：初態(tài)和末態(tài)的總能量相等，即E初=E末；某些形勢(shì)的能量的減少量等于其他形式的能量的增加量，即E減=E增；各種形式的能量的增量（E=E末-E初）的代數(shù)和為零，即E1+E2+En=0。電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，其他能向電能轉(zhuǎn)化是通過(guò)安培力的功來(lái)量度的，感應(yīng)電流在磁場(chǎng)中受到的安培力作了多少功就有多少電能產(chǎn)生，而這些電能又通過(guò)電流做功轉(zhuǎn)變成其他能，如電阻上產(chǎn)生的內(nèi)能、電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能等。從能量的角度看，楞次定律就是能量轉(zhuǎn)化和守恒定律在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的具體表現(xiàn)。電磁感應(yīng)過(guò)程往往涉及多種能量形勢(shì)的轉(zhuǎn)化，因此從功和能的觀點(diǎn)入手，分析清楚能量轉(zhuǎn)化的關(guān)系，往往是解決電磁感應(yīng)問題的重要途徑；在運(yùn)用功能關(guān)系解決問題時(shí)，應(yīng)注意能量轉(zhuǎn)化的來(lái)龍去脈，順著受力分析、做功分析、能量分析的思路嚴(yán)格進(jìn)行，并注意功和能的對(duì)應(yīng)關(guān)系。點(diǎn)撥解疑【例題1】（1989年高考全國(guó)卷）如圖1所示，一個(gè)質(zhì)量為m，電量為-q的小物體，可在水平軌道x上運(yùn)動(dòng)，O端有一與軌道垂直的固定墻，軌道處在場(chǎng)強(qiáng)大小為E，方向沿Ox軸正向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，小物體以初速度v0從點(diǎn)x0沿Ox軌道運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)中受到大小不變的摩擦力f作用，且ff，所以物體向左做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，直到以一定速度與墻壁碰撞，碰后物體的速度與碰前速度大小相等，方向相反，然后物體將多次的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。但由于摩擦力總是做負(fù)功，物體機(jī)械能不斷損失，所以物體通過(guò)同一位置時(shí)的速度將不斷減小，直到最后停止運(yùn)動(dòng)。物體停止時(shí)，所受合外力必定為零，因此物體只能停在O點(diǎn)。對(duì)于這樣幅度不斷減小的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，研究其全過(guò)程。電場(chǎng)力的功只跟始末位置有關(guān)，而跟路徑無(wú)關(guān)，所以整個(gè)過(guò)程中電場(chǎng)力做功 根據(jù)動(dòng)能定理 ， 得： 。點(diǎn)評(píng)：該題也可用能量守恒列式：電勢(shì)能減少了，動(dòng)能減少了，內(nèi)能增加了， 同樣解得?！纠}2】 如圖2所示，半徑為r的絕緣細(xì)圓環(huán)的環(huán)面固定在水平面上，場(chǎng)強(qiáng)為E的勻強(qiáng)電場(chǎng)與環(huán)面平行。一電量為+q、質(zhì)量為m的小球穿在環(huán)上，可沿環(huán)作無(wú)摩擦的圓周運(yùn)動(dòng)，若小球經(jīng)A點(diǎn)時(shí)，速度vA的方向恰與電場(chǎng)垂直，且圓環(huán)與小球間沿水平方向無(wú)力的作用，試計(jì)算：（1）速度vA的大??；（2）小球運(yùn)動(dòng)到與A點(diǎn)對(duì)稱的B點(diǎn)時(shí)，對(duì)環(huán)在水平方向的作用力?！军c(diǎn)撥解疑】 （1）在A點(diǎn)，小球在水平方向只受電場(chǎng)力作用，根據(jù)牛頓第二定律得： 所以小球在A點(diǎn)的速度。（2）在小球從A到B的過(guò)程中，根據(jù)動(dòng)能定理，電場(chǎng)力做的正功等于小球動(dòng)能的增加量，即 ，小球在B點(diǎn)時(shí)，根據(jù)牛頓第二定律，在水平方向有解以上兩式，小球在B點(diǎn)對(duì)環(huán)的水平作用力為：。點(diǎn)評(píng)：分析該題，也可將水平的勻強(qiáng)電場(chǎng)等效成一新的重力場(chǎng)，重力為Eq，A是環(huán)上的最高點(diǎn)，B是最低點(diǎn)；這樣可以把該題看成是熟悉的小球在豎直平面內(nèi)作圓周運(yùn)動(dòng)的問題。-qqOABE圖3【例題3】（2002年理綜全國(guó)卷）如圖3所示有三根長(zhǎng)度皆為l1.00 m的不可伸長(zhǎng)的絕緣輕線，其中兩根的一端固定在天花板上的 O點(diǎn)，另一端分別掛有質(zhì)量皆為m1.00kg的帶電小球A和B，它們的電量分別為一q和q，q1.00CA、B之間用第三根線連接起來(lái)空間中存在大小為E1.00106N/C的勻強(qiáng)電場(chǎng)，場(chǎng)強(qiáng)方向沿水平向右，平衡時(shí) A、B球的位置如圖所示現(xiàn)將O、B之間的線燒斷，由于有空氣阻力，A、B球最后會(huì)達(dá)到新的平衡位置求最后兩球的機(jī)械能與電勢(shì)能的總和與燒斷前相比改變了多少（不計(jì)兩帶電小球間相互作用的靜電力）【點(diǎn)撥解疑】圖（1）中虛線表示A、B球原來(lái)的平衡位置，實(shí)線表示燒斷后重新達(dá)到平衡的位置，其中、分別表示OA、AB與豎直方向的夾角。A球受力如圖（2）所示：重力mg，豎直向下；電場(chǎng)力qE，水平向左；細(xì)線OA對(duì)A的拉力T1，方向如圖；細(xì)線AB對(duì)A的拉力T2，方向如圖。由平衡條件得 -qqOABE圖（4）圖 4B球受力如圖（3）所示：重力mg，豎直向下；電場(chǎng)力qE，水平向右；細(xì)線AB對(duì)B的拉力T2，方向如圖。由平衡條件得 聯(lián)立以上各式并代入數(shù)據(jù)，得 由此可知，A、B球重新達(dá)到平衡的位置如圖（4）所示。與原來(lái)位置相比，A球的重力勢(shì)能減少了 B球的重力勢(shì)能減少了 A球的電勢(shì)能增加了 WA=qElcos60 B球的電勢(shì)能減少了 兩種勢(shì)能總和減少了 代入數(shù)據(jù)解得 【例題4】（2003年全國(guó)理綜卷）如圖5所示，兩根平行的金屬導(dǎo)軌，固定在同一水平面上，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.50T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)與導(dǎo)軌所在平面垂直，導(dǎo)軌的電阻很小，可忽略不計(jì)。導(dǎo)軌間的距離l=0.20m。兩根質(zhì)量均為m=0.10kg的平行金屬桿甲、乙可在導(dǎo)軌上無(wú)摩擦地滑動(dòng)，滑動(dòng)過(guò)程中與導(dǎo)軌保持垂直，每根金屬桿的電阻為R=0.50。在t=0時(shí)刻，兩桿都處于靜止?fàn)顟B(tài)?，F(xiàn)有一與導(dǎo)軌平行、大小為0.20N的恒力F作用于金屬桿甲上，使金屬桿在導(dǎo)軌上滑動(dòng)。經(jīng)過(guò)t=5.0s，金屬桿甲的加速度為a=1.37m/s2，問此時(shí)兩金屬桿的速度各為多少？乙 甲F圖 5【點(diǎn)撥解疑】設(shè)任一時(shí)刻t兩金屬桿甲、乙之間的距離為x，速度分別為v1和v2,經(jīng)過(guò)很短的時(shí)間t，桿甲移動(dòng)距離v1t，桿乙移動(dòng)距離v2t，回路面積改變由法拉第電磁感應(yīng)定律，回路中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)回路中的電流 桿甲的運(yùn)動(dòng)方程由于作用于桿甲和桿乙的安培力總是大小相等，方向相反，所以兩桿的動(dòng)量時(shí)為0）等于外力F的沖量聯(lián)立以上各式解得 圖 6代入數(shù)據(jù)得針對(duì)訓(xùn)練1 如圖6所示，長(zhǎng)L1寬L2的矩形線圈電阻為R，處于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)邊緣，線圈與磁感線垂直。將線圈以向右的速度v勻速拉出磁場(chǎng)，求：拉力F大??；拉力的功率P；拉力做的功W；線圈中產(chǎn)生的電熱Q；通過(guò)線圈某一截面的電荷量q。hdl1234v0v0v圖 72如圖7所示，水平的平行虛線間距為d=50cm，其間有B=1.0T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。一個(gè)正方形線圈邊長(zhǎng)為l=10cm，線圈質(zhì)量m=100g，電阻為R=0.020。開始時(shí)，線圈的下邊緣到磁場(chǎng)上邊緣的距離為h=80cm。將線圈由靜止釋放，其下邊緣剛進(jìn)入磁場(chǎng)和剛穿出磁場(chǎng)時(shí)的速度相等。取g=10m/s2，求：線圈進(jìn)入磁場(chǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的電熱Q。線圈下邊緣穿越磁場(chǎng)過(guò)程中的最小速度v。線圈下邊緣穿越磁場(chǎng)過(guò)程中加速度的最小值a。圖 83（2001年上海卷）如圖8所示，有兩根和水平方向成。角的光滑平行的金屬軌道，上端接有可變電阻R，下端足夠長(zhǎng)，空間有垂直于軌道平面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感強(qiáng)度為及一根質(zhì)量為m的金屬桿從軌道上由靜止滑下。經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間后，金屬桿的速度會(huì)趨近于一個(gè)最大速度幾，則（A）如果B增大，vm將變大（B）如果變大，vm將變大（C）如果R變大，vm將變大（D）如果m變小，vm將變大圖94（2001年上海卷）半徑為a的圓形區(qū)域內(nèi)有均勻磁場(chǎng)，磁感強(qiáng)度為B0.2T，磁場(chǎng)方向垂直紙面向里，半徑為b的金屬圓環(huán)與磁場(chǎng)同心地放置，磁場(chǎng)與環(huán)面垂直，其中a0.4m，b0.6m，金屬環(huán)上分別接有燈L1、L2，兩燈的電阻均為R02，一金屬棒MN與金屬環(huán)接觸良好，棒與環(huán)的電阻均忽略不計(jì)（1）若棒以v05m/s的速率在環(huán)上向右勻速滑動(dòng)，求棒滑過(guò)圓環(huán)直徑OO 的瞬時(shí)（如圖9所示）MN中的電動(dòng)勢(shì)和流過(guò)燈L1的電流。（2）撤去中間的金屬棒MN，將右面的半圓環(huán)OL2O 以O(shè)O 為軸向上翻轉(zhuǎn)90，若此時(shí)磁場(chǎng)隨時(shí)間均勻變化，其變化率為B/t4T/s，求L1的功率。5如圖10所示，電動(dòng)機(jī)牽引一根原來(lái)靜止的、長(zhǎng)L為1m、質(zhì)量m為0.1kg的導(dǎo)體棒MN上升，導(dǎo)體棒的電阻R為1，架在豎直放置的框架上，它們處于磁感應(yīng)強(qiáng)度B為1T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向與框架平面垂直。當(dāng)導(dǎo)體棒上升h=3.8m時(shí)，獲得穩(wěn)定的速度，導(dǎo)體棒上產(chǎn)生的熱量為2J，電動(dòng)機(jī)牽引棒時(shí)，電壓表、電流表的讀數(shù)分別為7V、1A，電動(dòng)機(jī)內(nèi)阻r為1，不計(jì)框架電阻及一切摩擦，求：（1）棒能達(dá)到的穩(wěn)定速度；（2）棒從靜止至達(dá)到穩(wěn)定速度所需要的時(shí)間。參考答案1解析：，；特別要注意電熱Q和電荷q的區(qū)別，其中 q與速度無(wú)關(guān)！2解：由于線圈完全處于磁場(chǎng)中時(shí)不產(chǎn)生電熱，所以線圈進(jìn)入磁場(chǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的電熱Q就是線圈從圖中2位置到4位置產(chǎn)生的電熱，而2、4位置動(dòng)能相同，由能量守恒Q=mgd=0.50J3位置時(shí)線圈速度一定最小，而3到4線圈是自由落體運(yùn)動(dòng)因此有v02-v2=2g(d-l)，得v=2m/s 2到3是減速過(guò)程，因此安培力減小，由F-mg=ma知加速度減小，到3位置時(shí)加速度最小，a=4.1m/s23 B、C4解析：（1