高三物理专题复习微元法在电磁感应现象中的应用_全国通用

微元法在高考物理中的应用河南省信阳高级中学陈庆威2013.10.06微元法是高中物理中的一个重要的思想方法。

因其近年来在江苏高考物理试题中的频繁出现，尤其是它在2013 年普通高等学校招生全国统一考试（课标卷I）第25 题中的闪亮登场，让它在我们的高考备考中的地位变得更加重要。

很多同学在学习过程中对这类问题因陌生而感到头痛，想集中训练又苦于很难在较短时间里收集到较好的题型，对很多顶尖的学生来说这类问题做起来也往往心有余而力不足。

希望通过以下几个典型的微元法试题的训练，能让你从陌生到熟练。

一、从真题中练方法例题1.（2013全国课标卷I）如图，两条平行导轨所在平面与水平地面的夹角为θ，间距为L。

导轨上端接有一平行板电容器，电容为C。

导轨处于匀强磁场中，磁感应强度大小为B，方向垂直于导轨平面。

在导轨上放置一质量为m 的金属棒，棒可沿导轨下滑，且在下滑过程中保持与导轨垂直并良好接触。

已知金属棒与导轨之间的动摩擦因数为μ，重力加速度大小为g。

忽略所有电阻。

让金属棒从导轨上端由静止开始下滑，求：⑴电容器极板上积累的电荷量与金属棒速度大小的关系；⑵金属棒的速度大小随时间变化的关系。

B【答案】⑴Q=CBLv ⑵v =m (sin-cos)gt C mm +B2L2C【解析】（1）设金属棒下滑的速度大小为v，则感应电动势为θLE =BLv ①平行板电容器两极板之间的电势差为U =E ②设此时电容器极板上积累的电荷量为Q，按定义有C =Q ③U联立①②③式得Q =CBLv ④（2）设金属棒的速度大小为v 时经历的时间为t，通过金属棒的电流为i，金属棒受到的磁场的作用力方向沿导轨向上，大小为f1=BLi ⑤设在时间间隔(t, t +∆t )内流经金属棒的电荷量为∆Q ，按定义有i =∆Q ⑥∆t∆Q 也是平行板电容器极板在时间间隔(t, t +∆t )内增加的电荷量，由④式得∆Q =CBL∆v ⑦式中，∆v 为金属棒的速度变化量，按定义有a =∆v ⑧∆t金属棒所受的摩擦力方向斜向上，大小为f2=N⑨式中，N 是金属棒对于导轨的正压力的大小，有N =mg cos⑩金属棒在时刻t 的加速度方向沿斜面向下，设其大小为a，根据牛顿第二定律有mg sin-f1-f2=ma ⑾联立⑤至⑾式得a =m (sin-cos)g ⑿m +B2L2C由⑿式及题设可知，金属棒做初速度为零的匀加速运动。

物理学中微元法的应用【高考展望】随着新课程的改革，微积分已经引入了高中数学课标，列入理科学生的高考考试范围，为高中物理的学习提供了更好的数学工具。

教材中很多地方体现了微元思想，逐步建立微元思想，加深对物理概念、规律的理解，提高解决物理问题的能力，不仅需要从研究方法上提升学习能力，而且还要提高利用数学方法处理物理问题的能力。

高考试题屡屡出现“微元法” 的问题，较多地出现在机械能问题、动量问题、电磁感应问题中，往往一出现就是分值高、难度较大的计算题。

在高中物理竞赛、自主招生物理试题中更是受到命题者的青睐，成为必不可少的内容。

【知识升华】“微元法”又叫“微小变量法”，是分析、解决物理问题中的常用方法，也是从部分到整体的思维方法。

用该方法可以使一些复杂的物理过程用我们熟悉的物理规律迅速地加以解决，使所求的问题简单化。

在使用微元法处理问题时，需将其分解为众多微小的“元过程”，而且每个“元过程”所遵循的规律是相同的。

微元可以是一小段线段、圆弧、一小块面积、一个小体积、小质量、一小段时间……，但应具有整体对象的基本特征。

这样，我们只需分析这些“元过程”，然后再将“元过程”进行必要的数学方法或物理思想处理，进而使问题得到求解。

利用“微元法”可以将非理想模型转化为理想模型，将一般曲线转化为圆甚至是直线，将非线性变量转化为线性变量甚至是恒量，充分体现了“化曲为直”、“化变为恒”的思想。

【方法点拨】应用“微元法”解决物理问题时，采取从对事物的极小部分（微元）入手，达到解决事物整体的方法，具体可以分以下三个步骤进行：（1）选取微元用以量化元事物或元过程； （2）把元事物或元过程视为恒定，运用相应的物理规律写出待求量对应的微元表达式；（3）在微元表达式的定义域内实施叠加演算，进而求得待求量。

微元法是采用分割、近似、求和、取极限四个步骤建立所求量的积分式来解决问题的。

【典型例题】类型一、微元法在运动学、动力学中的应用例1、设某个物体的初速度为0v ，做加速度为a 的匀加速直线运动，经过时间t ，则物体的位移与时间的关系式为2012x v t at =+，试推导。

2019年高考物理备考：电磁感应中的“微元法”1走近微元法微元法是分析、解决物理问题中的常用方法，也是从部分到整体的思维方法。

用该方法可以使一些复杂的物理过程用我们熟悉的物理规律迅速地加以解决，使所求的问题简单化。

在使用微元法处理问题时，需将其分解为众多微小的“元过程”，而且每个“元过程”所遵循的规律是相同的，这样，我们只需分析这些“元过程”，然后再将“元过程”进行必要的数学思想或物理方法处理，进而使问题求解。

使用此方法会加强我们对已知规律的再思考，从而引起巩固知识、加深认识和提高能力的作用。

“微元法”，又叫“微小变量法”，是解物理题的一种常用方法。

2如何用微元法1.什么情况下用微元法解题？在变力求功，变力求冲量，变化电流求电量等等情况下，可考虑用微元法解题。

2. 关于微元法。

一般是以时间和位移为自变量，在时间t ∆很短或位移x ∆很小时，此元过程内的变量可以认为是定值。

比如非匀变速运动求位移时在时间t ∆很短时可以看作匀速运动，在求速度的变化量时在时间t ∆很短时可以看作匀变速运动。

运动图象中的梯形可以看作很多的小矩形，所以，s x t v ∆=∆=∆。

微元法体现了微分的思想。

3. 关于求和∑。

许多小的梯形加起来为大的梯形，即∑∆=∆S s ，（注意：前面的s 为小写，后面的S 为大写），比如0v v v -=∆∑，当末速度0=v 时，有∑-=∆0v v ，或初速度00=v 时，有∑=∆v v ，这个求和的方法体现了积分思想。

4.物理量有三种可能的变化情况①不变（大小以及方向）。

可以直接求解，比如恒力的功，恒力的冲量，恒定电流的电量和焦耳热。

②线性变化（方向不变，大小线性变化）。

比如力随位移线性变化可用平均力来求功，力随时间线性变化可用平均力来求冲量，电流随时间线性变化可用平均电流来求电量。

电流的平方随时间线性变化可用平方的平均值来求焦耳热。

③非线性变化。

可以考虑用微元法。

值得注意微元法不是万能的，有时反而会误入歧途，微元法解题，本质上是用现了微分和积分的思想，是一种直接的求解方法，很多时候物理量的非线性变化可以间接求解，比如动能定理求变力的功，动量定理求变力的冲量，能量方程求焦耳热等等。

微元法在《电磁感应》中的应用作者：揭秋林来源：《中学物理·高中》2015年第12期物理学追求认识自然界最普遍、最基本的规律。

学生学习物理，就要注意养成追根问底、悟物穷理的思维习惯，这有利于提高学生的理性思维能力。

新教材在《电磁感应》这一章中较老教材做了许多改动，从电磁感应现象，本质、规律三方面进行阐述，旨在达到上述效果。

但是由于高中学生在物理理论知识和数学知识两方面都有不足，学习时做不到深究，从而造成对电磁感应的认识不到位，而微元法能很好的加深理解和应用。

1 电磁感应现象大量的实验说明只要穿过某一闭合回路的磁通量发生变化，闭合回路中就有电流产生，磁通量的变化有以下两种情况：（1）B不变化而闭合电路的整体或局部在做切割磁感线运动，这样产生的感应电动势叫做动生电动势。

（2）B变化而闭合电路的任一部分都不动，这样产生的感应电动势叫做感生电动势。

2 产生电动势的原因（1）动生电动势的产生原因——洛伦兹力如图1所示，金属杆ab以速率v向右平移，它里面的电子也随之向右运动，向右运动的电子因处在磁场中所以要受到[TP12GW167。

TIF，Y#]洛伦兹力作用，由左手定则可以判断洛伦兹力方向向下，沿杆的洛伦兹力驱使自由电子向下运动，闭合线框中便出现逆时针方向的电流，这样在杆ab中就产生了动生电动势，运动着的杆ab就相当于电源。

（2）感生电动势产生的原因——感生电场力通过实验观察杆不动磁场变化时的电磁感应现象，自然会提出什么力驱使电荷定向移动呢？麦克斯韦认为，变化的磁场会激发一个闭合电场，我们称之为感生电场或涡旋电场。

感生电场对自由电荷的感生电场力充当了非静电力驱使闭合回路中的自由电荷定向移动，形成了电流，产生了感生电动势。

3 感应电动势大小的计算方法3。

1 匀强电场中的动生电动势大小的计算方法方法一从产生原因入手——洛伦兹力作用如图2所示，金属杆ab以速率v向右平移，则自由电子受到的沿杆的洛伦兹力f=evB，电子从金属杆一端移动到另一端（相当于从电源的一极移到另一极），此力做功Wf=fl，而Wf=eE，联立以上三式可解得E=Blv。

微元法在电磁学中的应用
微元法在电磁学中的应用非常广泛，可以用来解决电荷分布、电场、电势、电磁感应等问题。

1. 电荷分布：微元法可以用于计算不规则形状电荷分布的总电荷量。

将电荷分布划分为许多微小电荷元，然后对每个微小电荷元进行求和，就可以得到整个电荷分布的总电荷量。

2. 电场：微元法可以用于计算电荷在某点产生的电场。

通过将电荷分布划分为微小电荷元，然后计算每个微小电荷元对某一点的电场贡献，再将所有微小电荷元的贡献相加，就可以得到该点的总电场。

3. 电势：微元法可以用于计算电荷在某一点产生的电势。

通过将电荷分布划分为微小电荷元，然后计算每个微小电荷元对某一点的电势贡献，再将所有微小电荷元的贡献相加，就可以得到该点的总电势。

4. 电磁感应：在计算电磁感应时，可以使用微元法来计算由磁场引起的感应电动势。

将磁场分布划分为微小磁场元，然后计算每个微小磁场元对某一回路的感应电动势贡献，再将所有微小磁场元的贡献相加，就可以得到该回路的总感应电动势。

微元法在电磁学中可以帮助我们计算复杂的电荷分布、电场、电势和电磁感应问题，通过将问题划分为微小元素并进行求和，使得计算更加简化和准确。

浅谈“微元法”在高考物理题中应用作者：史文杰来源：《理科考试研究·高中》2014年第12期在近几年的高考中时常出现一些涉及物体在变力作用下，做非匀变速运动的问题.学生在解题时，感觉无从下手.因为日常的教学和练习中，大多数情况只讨论恒力作用下的匀变速直线运动，对于变力问题下的非匀变速直线运动只作定性分析，很少进行定量研究.这类问题的解决涉及到“微元法”.一、微元法所谓“微元法”，又叫“微小变量法”，是解物理题的一种方法.它适用于变力作用下做变速运动（非匀变速运动）的情况.用微元法解题目体现了微分和积分的思想.何为微分思想？例如时间Δt很短或位移Δx很小时，非匀变速运动可以看作匀变速运动，从v-t图象中的图形可近似看作矩形，所以vΔt=Δx.何为积分思想？如许多小的梯形加起来为大的梯形，即Δx=X，（Δx代表微位移，X代表总位移），并且Δv=v-v0，当末速度v=0时，有Δv=v0，或初速度v0=0时，有Δv=v，这种求和的方法体现了积分思想.笔者发现采用“微元法”解决的题目虽然很多，情景多变，但其解题的模式是相似的，都采用关系式Δv=aΔt=F合mΔt，即牛顿第二定律和加速度定义式的微元式，学生只要会受力分析和运动分析，写出F合的表达式（与v有关的变力）以及初速度v0和末速度v，根据上面的方程，解出相关的物理量即可.下面谈一谈“微元法”在电磁感应问题和动力学问题中的应用.二、“微元法”在电磁感应问题中的应用一些涉及“电磁感应”的题目，可以用微元法解，因为在电磁感应中，如导体切割磁感线运动，产生的感应电动势E=BLv，感应电流I=BLvR，安培力F=BIL=B2L2Rv，因为是变力问题，所以可以用微元法.例1如图所示，一水平放置的光滑平行导轨上放一质量为m的金属杆，导轨间距为L，导轨的一端连接一阻值为R的电阻，其它电阻不计，磁感应强度为B的匀强磁场垂直于导轨平面，现给金属杆一个水平向右的初速度v0，然后任其运动，导轨足够长，试求金属杆在导轨上向右移动的最大距离是多少？解析对杆进行受力分析，杆在竖直平面内受到重力、竖直向上的支持力这是一对平衡力，水平方面上向左的安培力是杆受到的合外力.而且F安随速度的变小而变小.这是典型变力作用下求位移的题.解设杆在减速中的某一时刻的速度为v，取一极短时间Δt，发生了一段极小的位移Δx，在Δt时间内，磁通量的变化Δ=BLΔx，感应电流I=ΔΔtR=BLΔxΔtR安培力F安=BIL=B2L2ΔxΔtR，由于Δt极短，可以认为F安=B2L2vR.由牛顿第二定律在t到t+Δt时间内，Δv=aΔt=F合m=Δt （此处体现了微分思想）方程两边求和：Δv=B2L2vmRΔt （此处体现了积分思想）方程变形：Δv=B2L2mRvΔt （vΔt=x，Δv=v0-0）即v0-0=B2L2mRx，解得：x=mv0RB2l2三、“微元法”在动力学问题中的应用。

电磁感应中微元法的应用技巧及实例无锡市第六高级中学 曹钱建摘要：微元法是电磁学中极其重要的一种研究方法，电磁学中无时无刻都在利用微元法处理问题，使复杂问题简化和纯化，从而确定变量为常量达到理想化的效果。

间题中的信息进行提炼加工，突出主要因素，忽略次要因素，恰当处理，构建新的物理模型，从而更好地应用微元法，学好电磁感应这部分内容。

关键词：微元法；电磁感应；高考新课标物理教材中涉及到微分的思想，相应的派生出大量的相关问题。

而微元法与电磁感应相结合的问题更是常考点也是难点，本文将就此类问题的解决提供一套简便实用的方法，及部分经典实例。

电磁感应问题中的动生电动势模型中，金属杆在达到稳定之前的过程是一个变加速过程（其中涉及到的v 、E 、I 、安F 、a 都是变量），常规的原理、公式都无法直接使用，使得很多学生遇到此类问题都觉得无从下手，但此类问题却在近两年各地模拟卷和江苏高考卷中，作为压轴题出现。

其实这时可以采取“微元法”，即将所研究的变加速物理过程，分割成许多微小的单元，从而将非理想物理模型变成理想物理模型；将变加速运动过程变成匀加速运动过程，然后选择微小的单元，利用下面介绍的方法进行分析和讨论，可用一种比较简单且相对固定的模式解决此类问题。

例1、如图甲所示，光滑绝缘 水平面上一矩形金属线圈 abcd 的质量为m 、电阻为R 、ad 边长度为L ，其右侧是有左右边界的匀强磁场，磁场方向垂直纸面向外，磁感应强度大小为B ，ab 边长度与有界磁场区域宽度相等，在t =0时刻线圈以初速度v 0进入磁场，在t=T 时刻线圈刚好全部进入磁场且速度为v l ，此时对线圈施加一沿运动方向的变力F ，使线圈在t =2T 时刻线圈全部离开该磁场区，若上述过程中线圈的v —t 图象如图乙所示，整个图象关于t=T 轴对称．(1)求t=0时刻线圈的电功率；(2)线圈进入磁场的过程中产生的焦耳热和穿过磁场过程中外力F 所做的功分别为多少?(3)若线圈的面积为S ，请运用牛顿第二运动定律和电磁学规律证明：在线圈进入磁场过程中m RLS B v v 210=- 解：t =0时，E=BLv 0 线圈电功率Rv L B R E P 20222==(2)线圈进入磁场的过程中动能转化为焦耳热 21202121mv mv Q -= 外力做功一是增加动能，二是克服安培力做功 2120mv mv W F -=(3)根据微元法思想，将时间分为若干等分，每一等分可看成匀变速，利用牛顿第二定律分析可得：Bv v 乙m Rv L B m BLI a 22==： 等式两边同时乘以t ∆可得：t Lv mRL B t v mR L B t a ∆=∆=∆222 因为时间t ∆极短，则a 可认为恒定不变，所以t a ∆等于此极短时间内的速度改变量v ∆，同理v 也可认为恒定不变，所以t v ∆等于此极短时间内的位移x ∆。

微元法在电磁学中的应用
微元法在电磁学中的应用
在电磁学中，微元法是一种常见的数学方法，它用于解决涉及电磁场的微分方程问题。

微元法可以将一个复杂的系统分解成许多微小的元素，再对每个微小元素进行推导和计算，最终得到整个系统的解。

下面我们将介绍微元法在电磁学中的应用。

1.微元法在电荷分布和电场强度的计算中的应用
在确定电荷分布和电场强度时，我们可以使用微元法。

我们将空间分成许多小微元，对于每个微元，我们可以计算出其内部的电荷分布和电场强度，然后将所有微元的电场强度叠加起来得到整个空间的电场强度。

微元法可以显著提高计算的准确性和效率。

2.微元法在感应电流和磁场的计算中的应用
在感应电流和磁场的计算中，我们也可以使用微元法。

对于磁场的计算，我们将空间分成许多小微元，对于每个微元，我们可以通过安培定理计算出其内部的电流密度和磁场强度，然后将所有微元的磁场强度叠加起来得到整个空间的磁场。

微元法同样可以显著提高计算的准确性和效率。

3.微元法在电磁波传播中的应用
在电磁波传播中，微元法同样有着重要的应用。

我们将空间划分为许多微小的区域，对于每个区域，我们可以计算出其中的电场和磁场，
然后应用麦克斯韦方程式求得整个空间的电场和磁场。

微元法可以帮助我们更准确、更细致地分析电磁波的传播过程。

综上所述，微元法在电磁学中有着重要的应用。

它可以帮助我们精确地计算电场和磁场、电荷分布、感应电流和磁场等等，为我们深入理解电磁现象提供了有效的数学工具和分析方法。

微元法在电磁感应中的应用
陈俊
【期刊名称】《中学物理（高中版）》
【年(卷),期】2018(036)004
【摘要】微元法是分析、解决物理问题中的常用方法,也是从部分到整体的思维方法.用该方法可以使一些复杂的物理过程用熟悉的物理规律迅速地加以解决,使所求的问题简单化.在电磁感应中有这样一类题型,导体在磁场中做非匀变速运动,这类运动对于中学生来讲,成为一大难题.但是如果应用积分的思想,化整为零,采用"微元法",结合能量守恒来分析、求解,可以很好地解决这类问题.
【总页数】2页(P56-57)
【作者】陈俊
【作者单位】南京市第九中学江苏南京 210018
【正文语种】中文
【相关文献】
1.巧用微元法求解电磁感应中的疑难问题
2.微积分中微元法在专业中的应用案例研究r——以医药学专业为例
3.能量的转化与守恒规律在电磁感应中的应用——由电磁感应中一道习题引发的思考
4.巧用微元法求解电磁感应中的疑难问题
5.微元法在电磁感应现象中的应用
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微元法在高考物理中的应用河南省信阳高级中学 陈庆威 2013.10.06微元法是高中物理中的一个重要的思想方法。

因其近年来在江苏高考物理试题中的频繁出现，尤其是它在2013年普通高等学校招生全国统一考试（课标卷I ）第25题中的闪亮登场，让它在我们的高考备考中的地位变得更加重要。

很多同学在学习过程中对这类问题因陌生而感到头痛，想集中训练又苦于很难在较短时间里收集到较好的题型，对很多顶尖的学生来说这类问题做起来也往往心有余而力不足。

希望通过以下几个典型的微元法试题的训练，能让你从陌生到熟练。

一、从真题中练方法例题1.（2013全国课标卷I ）如图，两条平行导轨所在平面与水平地面的夹角为θ，间距为L 。

导轨上端接有一平行板电容器，电容为C 。

导轨处于匀强磁场中，磁感应强度大小为B ，方向垂直于导轨平面。

在导轨上放置一质量为m 的金属棒，棒可沿导轨下滑，且在下滑过程中保持与导轨垂直并良好接触。

已知金属棒与导轨之间的动摩擦因数为μ，重力加速度大小为g 。

忽略所有电阻。

让金属棒从导轨上端由静止开始下滑，求：⑵金属棒的速度大小随时间变化的关系。

【答案】⑴Q=CBLv ⑵ ()22sin cos m gt v m B L C θμθ-=+【解析】（1）设金属棒下滑的速度大小为v ，则感应电动势为E BLv = ①平行板电容器两极板之间的电势差为U E = ②设此时电容器极板上积累的电荷量为Q ，按定义有Q C U= ③ 联立①②③式得Q CBLv = ④（2）设金属棒的速度大小为v 时经历的时间为t ，通过金属棒的电流为i ，金属棒受到的磁场的作用力方向沿导轨向上，大小为1f BLi = ⑤设在时间间隔(),t t t +∆内流经金属棒的电荷量为Q ∆，按定义有Q i t∆=∆ ⑥ Q ∆也是平行板电容器极板在时间间隔(),t t t +∆内增加的电荷量，由④式得Q CBL v ∆=∆ ⑦式中，v ∆为金属棒的速度变化量，按定义有v a t∆=∆ ⑧ 金属棒所受的摩擦力方向斜向上，大小为2f N μ= ⑨式中，N 是金属棒对于导轨的正压力的大小，有cos N mg θ= ⑩金属棒在时刻t 的加速度方向沿斜面向下，设其大小为a ，根据牛顿第二定律有12sin mg f f ma θ--= ⑾联立⑤至⑾式得()22sin cos m a g m B L Cθμθ-=+ ⑿ 由⑿式及题设可知，金属棒做初速度为零的匀加速运动。

微元法在电磁学问题中的应用作者：黄卫红石超郭旺来源：《中学教学参考·理科版》2010年第02期2006年至2009年连续四年江苏高考压轴题中都用到了微元法,可见微元法是高考题中的一个考查重点,它能很好地考查学生的能力,这一方法在处理变加速运动过程中的位移、电量、速度、能量等物理量时非常方便,但学生在使用微元法解题时往往感到无从下手,下面笔者谈谈这一方法在电磁学问题中的应用。

一、受安培力作用图1【例1】如图1所示,水平放置的导体电阻为R,电阻R与两根光滑的平行金属导轨相连,导轨间距为L,其间有垂直导轨平面磁感应强度为B的匀强磁场。

导轨上有一导体棒ab质量为m,以初速度向右运动。

求:(1)导体棒将做什么运动?(2)描绘出运动的v-t图像;(3)导体棒的总位移;(4)流过导体棒的电量。

解析:(1)(2)略。

(3)使用微元法求解:选初速度方向为正方向,在导体棒运动的全过程,取一元过程,Δt极小。

则有:①由牛顿第二定律得a=B2L2vRm代入①式得∑-B2L2-②对②式化简得:-B2L2-③将代入③式有B2L2得B2L2即2L2;(4)由∑--化简得得。

小结:(1)物体做变加速直线运动,全过程可分解为众多微小的“元过程”,每个“元过程”所遵循的规律相同,分析这些“元过程”,然后再将“元过程”进行累计求和(或积分)使问题得以求解。

主要方程-注意方程的矢量性);(2)本题中加速度选择a=B2L2vRm和a=BILm两公式求和后使和分别得到位移和电量,所以解题过程中要恰当选择a的表达式。

二、受外力和安培力共同作用图2【例2】 (江苏2009年高考)如图2所示,两平行的光滑金属导轨安装在一光滑绝缘斜面上,导轨间距为l、足够长且电阻忽略不计,导轨平面的倾角为α,条形匀强磁场的宽度为d,磁感应强度大小为B、方向与导轨平面垂直。

长度为2d的绝缘杆将导体棒和正方形的单匝线框连接在一起组成“”型装置,总质量为m,置于导轨上。