【知识点一:电磁感应现象与楞次定律】
电磁感应现象是指当磁场穿过一个闭合电路的磁通量发生变化时,电路中会产生感应电动势,进而产生感应电流的现象。楞次定律是判断感应电流方向的基本法则,它指出感应电流的效果总是要反抗引起感应电流的原因。在题目1中,当磁铁N极插入线圈时,线圈内的磁通量增加,按照楞次定律,感应电流的方向将使原磁场减弱,即电流表指针向左偏转。而当磁铁N极拔出或静止不动时,线圈内没有磁通量变化,不会产生感应电流,因此电流表指针不会偏转。磁铁和线圈一起向上运动,磁通量不变,同样无感应电流。
【知识点二:动生电动势与安培定律】
在题目2中,导体棒AB在外力F作用下向右运动,由于导轨水平放置于磁场中,导体棒切割磁感线会产生动生电动势,导致电流沿CD方向流动(由D到C),这称为动生电动势。根据左手定则,磁场对导体棒CD的作用力方向向左,使得CD也产生向右的运动趋势,以维持磁通量不变。同时,磁场对导体棒AB的作用力同样向左,以抵抗其向右的运动。
【知识点三:自感现象与电路动态分析】
题目4涉及自感现象和电路动态分析。自感系数较大的线圈L在闭合开关S后,电路中的电流会在一定时间内逐渐达到稳定状态,这是由于线圈的自感效应阻碍电流的突然变化。在这个过程中,通过R1的电流I1开始会比较大,因为初始时线圈相当于短路,大部分电流流经R1;随着时间推移,电流逐渐通过线圈,R1上的电流减小。而通过R2的电流I2初始较小,因为线圈自感效应造成的反电动势阻碍电流流过,随着电流稳定,I2逐渐增大。
【知识点四:电磁感应中的能量转换与功的计算】
在题目3中,铜丝做成的线框a和b从磁场中拉出,外力做功等于克服安培力所做的功,即线框产生的感应电动势与电阻的乘积。由于线框面积不同,但匀速拉出,穿过线框的磁通量变化率相同,所以产生的感应电动势相同。但由于线框周长不同,总电阻不同,a的电阻小于b的电阻,因此通过a的电流大,外力做功更多,故Wa:Wb > 1:1,选项无法直接确定。
【知识点五:电磁感应中的动态图像问题】
题目5考察了动态图像的理解。导体棒在磁场中,由于导轨光滑且电阻不计,导体棒在切割磁感线产生电动势时,会形成回路电流,电流逐渐增大直到稳定。根据法拉第电磁感应定律,电容器充电过程中电压q随时间t线性增加;根据欧姆定律,棒中的电流i与电容器电压成正比,因此i与t也是线性关系;导体棒受到的安培力f=BIl与电流i成正比,因此加速度a与i成正比,a与t是二次函数关系。所以正确的图像应该是电荷量q随时间线性增加,电流i随时间线性增加,加速度a随时间二次增加。
【知识点六:电磁感应与力学的综合应用】
在题目6中,涉及到两个导体棒在磁场中的动态运动。导体棒c进入磁场后匀速运动,说明受力平衡;释放d后,d进入磁场,根据楞次定律和牛顿第二定律分析,d将加速进入磁场,而c的加速度ac会减小,直至变为零。动能Ek随位移线性增加,但两棒进入磁场后加速度不同,d的动能增加快于c。因此,正确的图像应该是d的动能增加较快,c的加速度先增大后减小至零。
【知识点七:测速原理与安培力的计算】
在题目7中,跑步机通过测量橡胶带上的金属条切割磁感线产生的电动势来测定速度。当橡胶带匀速运动时,电压U等于电动势,由E=BLv可知,速度v=U/(BL)。电阻R消耗的电功率P=I^2R,其中I为通过R的电流,由欧姆定律I=E/R,得到P=(U^2)/(BR^2)。金属条每次经过磁场克服安培力做功W=BI^2L,其中I为通过金属条的电流,由E=BLv,I=E/(R+r),W=B(BL)^2/(R+r)。
【知识点八:电磁感应与电磁动力学的结合】
题目8中,导体棒在磁场中受到安培力的作用,同时受到摩擦力的影响。通过分析磁感应强度随时间变化的规律以及导体棒的初速度和摩擦系数,可以计算出导体棒在4s内的运动情况,包括是否能穿越磁场以及在磁场内的运动时间。回路中电流的大小可以根据法拉第电磁感应定律和欧姆定律计算,电流方向可通过楞次定律判断。回路产生的焦耳热可以通过电流、电阻和时间的乘积来计算。
这些题目涵盖了高中物理中电磁感应的基础概念和应用,包括楞次定律、动生电动势、自感现象、电磁感应中的能量转换、动态图像分析以及电磁感应与力学、电磁动力学的综合运用。解答这些问题需要对相关物理原理有深入理解和灵活应用。