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專題十一、電磁感應(yīng)
第一部分 織網(wǎng)點(diǎn)睛,綱舉目張
1.楞次定律中“阻礙”的四種表現(xiàn)形式
(1)阻礙原磁通量的變化——“增反減同”。
(2)阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)——“來拒去留”。
(3)使線圈面積有擴(kuò)大或縮小的趨勢——“增縮減擴(kuò)”。
(4)阻礙原電流的變化(自感現(xiàn)象)——“增反減同”。
2.“三定則、一定律”的應(yīng)用
安培定則
判斷運(yùn)動(dòng)電荷、電流產(chǎn)生的磁場方向
左手定則
判斷磁場對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷、電流的作用力的方向
右手定則
判斷部分導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向
楞次定律
判斷閉合電路磁通量發(fā)生變化產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向
3.判斷感應(yīng)電流方向的兩種方法
(1)利用右手定則判斷(適用切割磁感線的運(yùn)動(dòng))。
(2)利用楞次定律判斷(適用回路磁通量變化情況)。
二、法拉第電磁感應(yīng)定律
1.求解感應(yīng)電動(dòng)勢常用的四種方法
表達(dá)式
E=n
E=BLvsin θ
E=BL2ω
E=NBSω·
sin(ωt+φ0)
情景圖
研究對(duì)象
回路(不一定閉合)
一段直導(dǎo)線(或等效成直導(dǎo)線)
繞一端轉(zhuǎn)動(dòng)的一段導(dǎo)體棒
繞與B垂直的軸轉(zhuǎn)動(dòng)的導(dǎo)線框
意義
一般求平均感應(yīng)電動(dòng)勢,當(dāng)Δt→0時(shí)求的是瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢
一般求瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢,當(dāng)v為平均速度時(shí)求的是平均感應(yīng)電動(dòng)勢
用平均值法求瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢
求瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢
適用條件
所有磁場(勻強(qiáng)磁場定量計(jì)算、非勻強(qiáng)磁場定性分析)
勻強(qiáng)磁場
勻強(qiáng)磁場
勻強(qiáng)磁場
2.感應(yīng)電荷量的計(jì)算
磁通量變化遷移的電荷量:q=I·Δt=·Δt=n·Δt=n,q僅由回路電阻R和磁通量的變化量ΔΦ決定。
3.電磁感應(yīng)電路中產(chǎn)生的焦耳熱
(1)當(dāng)電路中電流恒定時(shí),可用焦耳定律計(jì)算。
(2)當(dāng)電路中電流變化時(shí),則用功能關(guān)系或能量守恒定律計(jì)算。
第二部分 實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練,高考真題演練
1.(2022重慶高考)如圖1所示,光滑的平行導(dǎo)電軌道水平固定在桌面上,軌道間連接一可變電阻,導(dǎo)體桿與軌道垂直并接觸良好(不計(jì)桿和軌道的電阻),整個(gè)裝置處在垂直于軌道平面向上的勻強(qiáng)磁場中。桿在水平向右的拉力作用下先后兩次都由靜止開始做勻加速直線運(yùn)動(dòng),兩次運(yùn)動(dòng)中拉力大小與速率的關(guān)系如圖2所示。其中,第一次對(duì)應(yīng)直線①,初始拉力大小為,改變電阻阻值和磁感應(yīng)強(qiáng)度大小后,第二次對(duì)應(yīng)直線②,初始拉力大小為,兩直線交點(diǎn)的縱坐標(biāo)為。若第一次和第二次運(yùn)動(dòng)中的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小之比為k、電阻的阻值之比為m、桿從靜止開始運(yùn)動(dòng)相同位移的時(shí)間之比為n,則k、m、n可能為( )
A.
B.
C.
D.
【參考答案】C
【名師解析】由題意,桿在水平向右的拉力作用下先后兩次都由靜止開始做勻加速直線運(yùn)動(dòng),則在v=0時(shí)分別有,=ma1,2=ma2,
設(shè)第一次和第二次運(yùn)動(dòng)中,桿從靜止開始運(yùn)動(dòng)相同位移的時(shí)間分別為t1和t2,則有
x=a1t12,x=a2t22,t1??t2=n
聯(lián)立解得:n=
第一次和第二次運(yùn)動(dòng)中,所受安培力FA=BIL=, 根據(jù)牛頓第二定律,
F-FA=ma,即F=ma+
由此可知,拉力大小F與速率v的關(guān)系圖像斜率為,由第一次和第二次運(yùn)動(dòng)F與速率v的關(guān)系圖像斜率之比為2??1,可得=2,即=2,可以取k2=6,m=3,所以選項(xiàng)C正確。
2. (2022新高考江蘇卷)如圖所示,半徑為r的圓形區(qū)域內(nèi)有垂直于紙面的勻強(qiáng)磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間t的變化關(guān)系為,、k為常量,則圖中半徑為R的單匝圓形線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢大小為( ?。?br />
A. B.
C. D.
【參考答案】A
【命題意圖】本題考查電磁感應(yīng)及其相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。
【解題思路】
根據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間t的變化關(guān)系為,可知磁場的變化率為
根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知,選項(xiàng)A正確。
3. (2022高考上海)半徑為R的金屬圓環(huán)里,有一個(gè)垂直于紙面向里且半徑為r的圓形區(qū)域勻強(qiáng)磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B。若增大該區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度,則金屬圓環(huán)的感應(yīng)電流方向?yàn)? (選填:“順時(shí)針”或“逆時(shí)針”);若保持圓形區(qū)域內(nèi)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小不變,方向變化180°,則金屬圓環(huán)的磁通量變化的大小為 。
【參考答案】 逆時(shí)針 2Bπr2
【命題意圖】本題考查楞次定律+磁通量變化+模型思維
【名師解析】半徑為r的圓形區(qū)域內(nèi)勻強(qiáng)磁場的磁場方向垂直于紙面向里,若增大該區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度,由磁通量公式Φ=BS可知,金屬圓環(huán)內(nèi)磁通量增大,由楞次定律可知,金屬圓環(huán)中產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向。若保持圓形區(qū)域內(nèi)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小不變,方向變化180°,則金屬圓環(huán)的磁通量變化的大小為△Φ=Φ2-Φ1=Bπr2-(- Bπr2)=2 Bπr2。
4. (2022高考上海)如圖,一個(gè)正方形導(dǎo)線框以初速度v0向右穿過一個(gè)有界的勻強(qiáng)磁場。線框兩次速度發(fā)生變化所用時(shí)間分別為t1和t2 ,以及這兩段時(shí)間內(nèi)克服安培力做的功分別為W1和W2,則( )
A. t1<t2,W1<W2, B. t1<t2,W1>W(wǎng)2,
C. t1>t2,W1<W2, D. t1>t2,W1>W(wǎng)2,
【參考答案】B
【命題意圖】本題考查法拉第電磁感應(yīng)定律+閉合電路歐姆定律+安培力+動(dòng)量定理+動(dòng)能定理+等效思維
【名師解析】由于線框進(jìn)入磁場的過程和離開磁場的過程,線框都是受到向左的安培力作用做減速運(yùn)動(dòng),因此進(jìn)入過程的平均速度v1平大于離開過程的平均速度v2平,由L=v1平t1和L=v2平t2可得t1<t2。
線框剛進(jìn)入磁場時(shí)速度為v0,設(shè)線框邊長為L,電阻為R,線框完全進(jìn)入磁場時(shí)速度為v1,剛完全離開磁場時(shí)速度為v2,進(jìn)入磁場過程中產(chǎn)生的平均感應(yīng)電動(dòng)勢為E1,平均感應(yīng)電流為I1,離開磁場過程中產(chǎn)生的平均感應(yīng)電動(dòng)勢為E2,平均感應(yīng)電流為I1,由法拉第電磁感應(yīng)定律,E1=△Φ/t1,E2=△Φ/t2,△Φ=BL2,由閉合電路歐姆定律,I1= E1/R,I2= E2/R,進(jìn)入磁場過程通過導(dǎo)體截面的電荷量q1=I1t1,離開磁場過程通過導(dǎo)體截面的電荷量q2=I2t2,聯(lián)立解得:q1= q2。對(duì)線框完全進(jìn)入磁場的過程,由動(dòng)量定理,-F1t1=mv1- mv0,F(xiàn)1=B I1L,對(duì)線框離開磁場的過程,由動(dòng)量定理,-F2t2=mv2- mv1,F(xiàn)2=B I2L,又q1=I1t1,q2=I2t2,q1= q2,聯(lián)立解得:v1-v0= v2- v1。根據(jù)動(dòng)能定理,W1=mv02-mv12,W2=mv12-mv22,==>1,所以W1>W(wǎng)2,選項(xiàng)B正確。
5. (2022高考河北) 將一根絕緣硬質(zhì)細(xì)導(dǎo)線順次繞成如圖所示的線圈,其中大圓面積為,小圓面積均為,垂直線圈平面方向有一隨時(shí)間t變化的磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度大小,和均為常量,則線圈中總的感應(yīng)電動(dòng)勢大小為( ?。?br />
A B.
C. D.
【參考答案】D
【命題意圖】本題考查電磁感應(yīng)及其相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。
【名師解析】由磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B=B0+kt,可知磁感應(yīng)強(qiáng)度變化率=k,根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,大圓線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢
每個(gè)小圓線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢
由線圈的繞線方式和楞次定律可得大、小圓線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢方向相同,所以線圈中總的感應(yīng)電動(dòng)勢大小為E=E1+5E2=S1+5S2=,選項(xiàng)D正確。
6. (2022高考河北)如圖,兩光滑導(dǎo)軌水平放置在豎直向下的勻強(qiáng)磁場中,一根導(dǎo)軌位于軸上,另一根由、、三段直導(dǎo)軌組成,其中段與軸平行,導(dǎo)軌左端接入一電阻。導(dǎo)軌上一金屬棒沿軸正向以速度保持勻速運(yùn)動(dòng),時(shí)刻通過坐標(biāo)原點(diǎn),金屬棒始終與軸垂直。設(shè)運(yùn)動(dòng)過程中通過電阻的電流強(qiáng)度為,金屬棒受到安培力的大小為,金屬棒克服安培力做功的功率為,電阻兩端的電壓為,導(dǎo)軌與金屬棒接觸良好,忽略導(dǎo)軌與金屬棒的電阻。下列圖像可能正確的是( ?。?br />
A. B.
C. D.
【參考答案】AC
【命題意圖】本題考查電磁感應(yīng)及其相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。
【名師解析】
當(dāng)導(dǎo)體棒從O點(diǎn)向右運(yùn)動(dòng)L時(shí),即在時(shí)間內(nèi),在某時(shí)刻導(dǎo)體棒切割磁感線的長度
,(θ為ab與ad的夾角)
則根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律E=BLv0
根據(jù)閉合電路歐姆定律 ,可知回路電流均勻增加;
安培力
則F-t關(guān)系為拋物線,但是不過原點(diǎn);安培力做功的功率
則P-t關(guān)系為拋物線,但是不過原點(diǎn);電阻兩端的電壓等于導(dǎo)體棒產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢,即
即圖像是不過原點(diǎn)的直線;根據(jù)以上分析,可大致排除BD選項(xiàng);
當(dāng)在時(shí)間內(nèi),導(dǎo)體棒切割磁感線的長度不變,感應(yīng)電動(dòng)勢E不變,感應(yīng)電流I不變,安培力F大小不變,安培力的功率P不變,電阻兩端電壓U保持不變;
同理可判斷,在時(shí)間內(nèi),導(dǎo)體棒切割磁感線長度逐漸減小,導(dǎo)體棒切割磁感線感應(yīng)電動(dòng)勢E均勻減小,感應(yīng)電流I均勻減小,安培力F大小按照二次函數(shù)關(guān)系減小,但是不能減小到零,與內(nèi)是對(duì)稱的關(guān)系,安培力的功率P按照二次函數(shù)關(guān)系減小,但是不能減小到零,與內(nèi)是對(duì)稱的關(guān)系,電阻兩端電壓U按線性均勻減?。痪C上所述選項(xiàng)AC正確,BD錯(cuò)誤。
【一題多解】導(dǎo)軌上一金屬棒沿軸正向以速度保持勻速運(yùn)動(dòng),在0~L/v0時(shí)間內(nèi),金屬棒有效切割長度均勻增大,回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢均勻增大,根據(jù)閉合電路歐姆定律可知,通過電阻的電流強(qiáng)度i均勻增大;在L/v0~2L/v0時(shí)間內(nèi),金屬棒有效切割長度不變,回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢不變,根據(jù)閉合電路歐姆定律可知,通過電阻的電流強(qiáng)度i不變;在2L/v0~3L/v0時(shí)間內(nèi),金屬棒有效切割長度均勻減小,回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢均勻減小,根據(jù)閉合電路歐姆定律可知,通過電阻的電流強(qiáng)度i均勻減小,所以運(yùn)動(dòng)過程中通過電阻的電流強(qiáng)度隨時(shí)間變化的圖像A可能正確;金屬棒受到安培力的大小=BiL,金屬棒開始運(yùn)動(dòng)時(shí),金屬棒所受安培力一定大于0,所以圖像B錯(cuò)誤;金屬棒克服安培力做功的功率為=Fv0,圖像C可能正確;根據(jù)歐姆定律,電阻兩端的電壓為U=IR,圖像形狀與圖像A類似,所以圖像D錯(cuò)誤。
7. (2022山東物理)如圖所示,平面的第一、三象限內(nèi)以坐標(biāo)原點(diǎn)O為圓心、半徑為的扇形區(qū)域充滿方向垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場。邊長為L的正方形金屬框繞其始終在O點(diǎn)的頂點(diǎn)、在平面內(nèi)以角速度順時(shí)針勻速轉(zhuǎn)動(dòng),時(shí)刻,金屬框開始進(jìn)入第一象限。不考慮自感影響,關(guān)于金屬框中感應(yīng)電動(dòng)勢E隨時(shí)間t變化規(guī)律的描述正確的是( )
A. 在到的過程中,E一直增大
B. 在到的過程中,E先增大后減小
C. 在到過程中,E的變化率一直增大
D. 在到的過程中,E的變化率一直減小
【參考答案】BC
【命題意圖】本題考查電磁感應(yīng)及其相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。
【名師解析】
如圖所示
在到的過程中,線框的有效切割長度先變大再變小,當(dāng)時(shí),有效切割長度最大為,此時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢最大,所以在到的過程中,E先增大后減小,故B正確,A錯(cuò)誤;
CD.在到的過程中,設(shè)轉(zhuǎn)過的角度為,由幾何關(guān)系可得
進(jìn)入磁場部分線框面積
穿過線圈的磁通量
線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢,感應(yīng)電動(dòng)勢的變化率
對(duì)求二次導(dǎo)數(shù)得
在到的過程中一直變大,所以E的變化率一直增大,故C正確,D錯(cuò)誤。
8.(2022·全國理綜甲卷·20)如圖,兩根相互平行的光滑長直金屬導(dǎo)軌固定在水平絕緣桌面上,在導(dǎo)軌的左端接入電容為C的電容器和阻值為R的電阻。質(zhì)量為m、阻值也為R的導(dǎo)體棒MN靜止于導(dǎo)軌上,與導(dǎo)軌垂直,且接觸良好,導(dǎo)軌電阻忽略不計(jì),整個(gè)系統(tǒng)處于方向豎直向下的勻強(qiáng)磁場中。開始時(shí),電容器所帶的電荷量為Q,合上開關(guān)S后,( )
A.通過導(dǎo)體棒MN電流的最大值為
B.導(dǎo)體棒MN向右先加速、后勻速運(yùn)動(dòng)
C.導(dǎo)體棒MN速度最大時(shí)所受的安培力也最大
D.電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱大于導(dǎo)體棒MN上產(chǎn)生的焦耳熱
【參考答案】AD
【命題意圖】本題考查電容器電容、電磁感應(yīng)、安培力、運(yùn)動(dòng)情況分析、焦耳熱。
【解題思路】帶電荷量Q的電容器兩端電壓U=Q/C,合上開關(guān)S的瞬間,通過導(dǎo)體棒MN的電流最大,最大值為IM=U/R= Q/RC,選項(xiàng)A正確;合上開關(guān)S后導(dǎo)體棒MN受到向右安培力作用先向右加速運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生與原來電流方向相反的感應(yīng)電動(dòng)勢,阻礙電流通過MN放電,而電容器還可以通過電阻R放電,導(dǎo)體棒MN向右運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢與電阻R形成回路,受到向左安培力作用做減速運(yùn)動(dòng),選項(xiàng)B錯(cuò)誤;合上開關(guān)S的瞬間,通過導(dǎo)體棒MN的電流最大,導(dǎo)體棒所受安培力最大,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;由于合上開關(guān)S后導(dǎo)體棒MN受到向右安培力作用先向右加速運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生與原來電流方向相反的感應(yīng)電動(dòng)勢,阻礙電流通過MN放電,所以電阻R產(chǎn)生的焦耳熱大于導(dǎo)體棒MN上產(chǎn)生的焦耳熱,選項(xiàng)D正確。
【易錯(cuò)提醒】通電導(dǎo)線做切割磁感線運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生與原來電流方向相反的感應(yīng)電動(dòng)勢,阻礙電流通過。
9.(2022·全國理綜甲卷·16)三個(gè)用同樣的細(xì)導(dǎo)線做成的剛性閉合線框,正方形線框的邊長與圓線框的直徑相等,圓線框的半徑與正六邊形線框的邊長相等,如圖所示。把它們放入磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間線性變化的同一勻強(qiáng)磁場中,線框所在平面均與磁場方向垂直,正方形、圓形和正六邊形線框中感應(yīng)電流的大小分別為和。則( )
A. B.
C. D.
【參考答案】C
【命題意圖】本題考查法拉第電磁感應(yīng)定律、閉合電路歐姆定律及其相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。
【解題思路】設(shè)磁感應(yīng)強(qiáng)度變化率為k,設(shè)圓半徑為r,單位長度導(dǎo)線的電阻為R0,則正方形線框產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢E1=4r2k,正方形線框電阻R1=8r R0,感應(yīng)電流I1= E1/ R1=kr/2R0;圓形線框產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢E2=πr2k,圓形線框電阻R2=2πr R0,感應(yīng)電流I2= E2/ R2=kr/2R0;正六邊形線框產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢E3=r2k,正六邊形線框電阻R3=6r R0,感應(yīng)電流I3= E3/ R3=;所以I1=I2>I3,選項(xiàng)C正確。
10.(2022·高考廣東物理)如圖9所示,水平地面(平面)下有一根平行于y軸且通有恒定電流I的長直導(dǎo)線。P、M和N為地面上的三點(diǎn),P點(diǎn)位于導(dǎo)線正上方,MN平行于y軸,PN平行于x軸。一閉合的圓形金屬線圈,圓心在P點(diǎn),可沿不同方向以相同的速率做勻速直線運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)過程中線圈平面始終與地面平行。下列說法正確的有( )
A.N點(diǎn)與M點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等,方向相同
B.線圈沿PN方向運(yùn)動(dòng)時(shí),穿過線圈的磁通量不變
C.線圈從P點(diǎn)開始豎直向上運(yùn)動(dòng)時(shí),線圈中無感應(yīng)電流
D.線圈從P到M過程的感應(yīng)電動(dòng)勢與從P到N過程的感應(yīng)電動(dòng)勢相等
【參考答案】AC
【命題意圖】本題意在考查電流產(chǎn)生磁場、磁通量、產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件和法拉第電磁感應(yīng)定律。
【解題思路】
由于題述水平地面下的導(dǎo)線為通有恒定電流I的長直導(dǎo)線,且平行于y軸,MN平行于y軸,所以N點(diǎn)與M點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等,方向相同,A正確;由于PN平行于x軸,線圈沿PN方向運(yùn)動(dòng),穿過線圈的磁通量先變大后變小,B錯(cuò)誤;線圈從P點(diǎn)開始豎直向上運(yùn)動(dòng)時(shí),穿過線圈的磁通量一直為零,磁通量不變,線圈中無感應(yīng)電流,C正確;線圈從P到M過程和從P到N過程,線圈中磁通量變化相同,所用時(shí)間不同,磁通量變化率不同,根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,線圈從P到M過程產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢小于從P到N過程產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢,D錯(cuò)誤。
11.(2022高考河北卷)[河北2022·7,6分]如圖,兩光滑導(dǎo)軌水平放置在豎直向下的勻強(qiáng)磁場中,一根導(dǎo)軌位于軸上,另一根由、、三段直導(dǎo)軌組成,其中段與軸平行,導(dǎo)軌左端接入一電阻。導(dǎo)軌上一金屬棒沿軸正向以速度保持勻速運(yùn)動(dòng),時(shí)刻通過坐標(biāo)原點(diǎn),金屬棒始終與軸垂直。設(shè)運(yùn)動(dòng)過程中通過電阻的電流強(qiáng)度為,金屬棒受到安培力的大小為,金屬棒克服安培力做功的功率為,電阻兩端的電壓為,導(dǎo)軌與金屬棒接觸良好,忽略導(dǎo)軌與金屬棒的電阻。下列圖像可能正確的是( )
A. B.
C. D.
【參考答案】AC
【名師解析】導(dǎo)軌上一金屬棒沿軸正向以速度保持勻速運(yùn)動(dòng),在0~L/v0時(shí)間內(nèi),金屬棒有效切割長度均勻增大,回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢均勻增大,根據(jù)閉合電路歐姆定律可知,通過電阻的電流強(qiáng)度i均勻增大;在L/v0~2L/v0時(shí)間內(nèi),金屬棒有效切割長度不變,回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢不變,根據(jù)閉合電路歐姆定律可知,通過電阻的電流強(qiáng)度i不變;在2L/v0~3L/v0時(shí)間內(nèi),金屬棒有效切割長度均勻減小,回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢均勻減小,根據(jù)閉合電路歐姆定律可知,通過電阻的電流強(qiáng)度i均勻減小,所以運(yùn)動(dòng)過程中通過電阻的電流強(qiáng)度隨時(shí)間變化的圖像A可能正確;金屬棒受到安培力的大小=BiL,金屬棒開始運(yùn)動(dòng)時(shí),金屬棒所受安培力一定大于0,所以圖像B錯(cuò)誤;金屬棒克服安培力做功的功率為=Fv0,圖像C可能正確;根據(jù)歐姆定律,電阻兩端的電壓為=IR,圖像形狀與圖像A類似,所以圖像D錯(cuò)誤。
12. (2022年1月浙江選考)如圖所示,將一通電螺線管豎直放置,螺線管內(nèi)部形成方向豎直向上、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B=kt的勻強(qiáng)磁場,在內(nèi)部用絕緣輕繩懸掛一與螺線管共軸的金屬薄圓管,其電阻率為、高度為h、半徑為r、厚度為d(d?r),則( ?。?br />
A. 從上向下看,圓管中的感應(yīng)電流為逆時(shí)針方向
B. 圓管的感應(yīng)電動(dòng)勢大小為
C. 圓管的熱功率大小為
D. 輕繩對(duì)圓管的拉力隨時(shí)間減小
【參考答案】C
【名師解析】穿過圓管的磁通量向上逐漸增加,則根據(jù)楞次定律可知,從上向下看,圓管中的感應(yīng)電流為順時(shí)針方向,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;圓管的感應(yīng)電動(dòng)勢大小為,選項(xiàng)B錯(cuò)誤;圓管的電阻,圓管的熱功率大小為,,選項(xiàng)C正確;根據(jù)左手定則可知,圓管中各段所受的受安培力方向指向圓管的軸線,則輕繩對(duì)圓管的拉力的合力始終等于圓管的重力,不隨時(shí)間變化,選項(xiàng)D錯(cuò)誤。
13. (2022·全國理綜乙卷·24)如圖,一不可伸長的細(xì)繩的上端固定,下端系在邊長為的正方形金屬框的一個(gè)頂點(diǎn)上。金屬框的一條對(duì)角線水平,其下方有方向垂直于金屬框所在平面的勻強(qiáng)磁場。已知構(gòu)成金屬框的導(dǎo)線單位長度的阻值為;在到時(shí)間內(nèi),磁感應(yīng)強(qiáng)度大小隨時(shí)間t的變化關(guān)系為。求:
(1)時(shí)金屬框所受安培力的大?。?br />
(2)在到時(shí)間內(nèi)金屬框產(chǎn)生的焦耳熱。
【參考答案】(1);(2)0.016J
【名師解析】
(1)金屬框的總電阻為
金屬框中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢為
金屬框中的電流為
t=2.0s時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度
金屬框處于磁場中的有效長度為
此時(shí)金屬框所受安培力大小為
(2)內(nèi)金屬框產(chǎn)生的焦耳熱為
14. (2022高考遼寧物理)如圖所示,兩平行光滑長直金屬導(dǎo)軌水平放置,間距為L。區(qū)域有勻強(qiáng)磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B,方向豎直向上。初始時(shí)刻,磁場外的細(xì)金屬桿M以初速度向右運(yùn)動(dòng),磁場內(nèi)的細(xì)金屬桿N處于靜止?fàn)顟B(tài)。兩金屬桿與導(dǎo)軌接觸良好且運(yùn)動(dòng)過程中始終與導(dǎo)軌垂直。兩桿的質(zhì)量均為m,在導(dǎo)軌間的電阻均為R,感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場及導(dǎo)軌的電阻忽略不計(jì)。
(1)求M剛進(jìn)入磁場時(shí)受到安培力F的大小和方向;
(2)若兩桿在磁場內(nèi)未相撞且N出磁場時(shí)的速度為,求:①N在磁場內(nèi)運(yùn)動(dòng)過程中通過回路的電荷量q;②初始時(shí)刻N(yùn)到的最小距離x;
(3)初始時(shí)刻,若N到的距離與第(2)問初始時(shí)刻的相同、到的距離為,求M出磁場后不與N相撞條件下k的取值范圍。
【參考答案】(1),方向水平向左;
(2)①,②;(3)2≤k<3
【命題意圖】本題考查電磁感應(yīng)、閉合電路歐姆定律、安培力、動(dòng)量定理、動(dòng)量守恒定律及其相關(guān)知識(shí)點(diǎn).
【名師解析】
(1)細(xì)金屬桿M以初速度v0向右剛進(jìn)入磁場時(shí),產(chǎn)生的動(dòng)生電動(dòng)勢為E=BLv0
電流方向?yàn)閍→b,電流的大小為 I=E/2R
則所受的安培力大小為 F=BIL=
安培力的方向由左手定則可知水平向左;
(2)①金屬桿N在磁場內(nèi)運(yùn)動(dòng)過程中,由動(dòng)量定理有
且
聯(lián)立解得通過回路的電荷量為
②設(shè)兩桿在磁場中相對(duì)靠近的位移為△x,有
整理可得
聯(lián)立可得
若兩桿在磁場內(nèi)剛好相撞,N到ab的最小距離為
(3)兩桿出磁場后在平行光滑長直金屬導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng),若N到cd的距離與第(2)問初始時(shí)刻的相同、到ab的距離為kx(k>1),則N到ab邊的速度大小恒為,根據(jù)動(dòng)量守恒定律可知
解得N出磁場時(shí),M的速度大小為
由題意可知,此時(shí)M到cd邊的距離為 s=(k-1)x
若要保證M出磁場后不與N相撞,則有兩種臨界情況:
①M(fèi)減速到時(shí)出磁場,速度剛好等于N的速度,一定不與N相撞,對(duì)M根據(jù)動(dòng)量定理有
聯(lián)立解得
k=2
②M運(yùn)動(dòng)到cd邊時(shí),恰好減速到零,則對(duì)M由動(dòng)量定理有
同理解得
k=3
綜上所述,M出磁場后不與N相撞條件下k的取值范圍為2≤k<3
15. (2022高考上海)寬L=0.75m的導(dǎo)軌固定,導(dǎo)軌間存在著垂直于紙面且磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.4T的勻強(qiáng)磁場。虛線框I、II中有定值電阻R0和最大阻值為20Ω的滑動(dòng)變阻器R。一根與導(dǎo)軌等寬的金屬桿以恒定速率向右運(yùn)動(dòng),圖甲和圖乙分別為變阻器全部接入和一般接入時(shí)沿abcda方向電勢變化的圖像。求:
(1)勻強(qiáng)磁場的方向;
(2)分析并說明定值電阻R0在I還是在II中,并且R0大小為多少?
(3)金屬桿運(yùn)動(dòng)的速率;
(4)滑動(dòng)變阻器阻值為多大時(shí)變阻器的功率最大?并求出該最大功率Pm。
【命題意圖】本題考查電磁感應(yīng)及其相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。
【思維導(dǎo)圖】由電勢圖像得出a點(diǎn)電勢高→切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的金屬桿是電源→金屬桿上端為高電勢(電源正極)→金屬桿中電流方向從下到上→右手定則→磁場方向垂直紙面向里
對(duì)比圖甲和圖乙→串聯(lián)電路分壓規(guī)律→I中為定值電阻→歐姆定律列方程組→解得R0和φ0..
把定值電阻和金屬桿視作等效電源→電源輸出電功率最大條件→滑動(dòng)變阻器最大功率
【名師解析】(1)a點(diǎn)電勢高,即金屬桿上端電勢高,根據(jù)右手定則可判斷出磁場垂直紙面向里
(2)滑動(dòng)變阻器接入阻值減小時(shí),Uab變大,根據(jù)串聯(lián)電路分壓特點(diǎn),說明I中的阻值分到的電壓增多,I中為定值電阻。
金屬桿的電阻不計(jì),Uad=E=φ0。
滑動(dòng)變阻器兩種情況下,R=1.2V,R=1.0V,
聯(lián)立解得:R0=5Ω,φ0=1.5V
(3)金屬桿切割磁感線,產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢 ,E=BLv=φ0=1.5V
解得v=5m/s
(4)將定值電阻和金屬桿視作一個(gè)等效電源,由電源輸出功率最大的條件可知,當(dāng)滑動(dòng)變阻器阻值為Rx= R0=5Ω時(shí),滑動(dòng)變阻器消耗的電功率最大,最大功率Pm===0.1125W。
16.(12分)(2022重慶高考)某同學(xué)以金屬戒指為研究對(duì)象,探究金屬物品在變化磁場中的熱效應(yīng)。如圖所示,戒指可視為周長為L、橫截面積為S、電阻率為的單匝圓形線圈,放置在勻強(qiáng)磁場中,磁感應(yīng)強(qiáng)度方向垂直于戒指平面。若磁感應(yīng)強(qiáng)度大小在時(shí)間內(nèi)從0均勻增加到,求
(1)戒指中的感應(yīng)電動(dòng)勢和電流;
(2)戒指中電流的熱功率。
【參考答案】(1),;(2)
【名師解析】(1)設(shè)戒指的半徑為r,戒指的周長L=2πr
磁感應(yīng)強(qiáng)度大小在時(shí)間內(nèi)從0均勻增加到,
戒指中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢為 E=
即 E=
由電阻定律,戒指的電阻R=ρL/S
由閉合電路歐姆定律,戒指中的感應(yīng)電流I=E/R=;
(2)戒指中電流的熱功率為P=I2R=
17.(2020·浙江7月選考)如圖所示,固定在水平面上的半徑為r的金屬圓環(huán)內(nèi)存在方向豎直向上、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場。長為l的金屬棒,一端與圓環(huán)接觸良好,另一端固定在豎直導(dǎo)電轉(zhuǎn)軸OO′上,隨軸以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動(dòng),在圓環(huán)的A點(diǎn)和電刷間接有阻值為R的電阻和電容為C、板間距為d的平行板電容器,有一帶電微粒在電容器極板間處于靜止?fàn)顟B(tài)。已知重力加速度為g,不計(jì)其他電阻和摩擦,下列說法正確的是( )
A.棒產(chǎn)生的電動(dòng)勢為Bl2ω
B.微粒的電荷量與質(zhì)量之比為
C.電阻消耗的電功率為
D.電容器所帶的電荷量為CBr2ω
【參考答案】B
【名師解析】由法拉第電磁感應(yīng)定律可知棒產(chǎn)生的電動(dòng)勢為E=Br·ωr=Br2ω,選項(xiàng)A錯(cuò)誤。金屬棒電阻不計(jì),故電容器兩極板間的電壓等于棒產(chǎn)生的電動(dòng)勢,微粒的重力與其受到的電場力大小相等,有q=mg,可得=,選項(xiàng)B正確。電阻消耗的電功率P==,選項(xiàng)C錯(cuò)誤。電容器所帶的電荷量Q=CU=CBr2ω,選項(xiàng)D錯(cuò)誤。
18.[多選](2020·山東等級(jí)考)如圖所示,平面直角坐標(biāo)系的第一和第二象限分別存在磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等、方向相反且垂直于坐標(biāo)平面的勻強(qiáng)磁場,圖中虛線方格為等大正方形。一位于Oxy平面內(nèi)的剛性導(dǎo)體框abcde在外力作用下以恒定速度沿y軸正方向運(yùn)動(dòng)(不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng))。從圖示位置開始計(jì)時(shí),4 s末bc邊剛好進(jìn)入磁場。在此過程中,導(dǎo)體框內(nèi)感應(yīng)電流的大小為I,ab邊所受安培力的大小為Fab,二者與時(shí)間t的關(guān)系圖像可能正確的是( )
【參考答案】BC
【名師解析】 第1 s內(nèi),ae邊切割磁感線,由E=BLv可知,感應(yīng)電動(dòng)勢不變,導(dǎo)體框總電阻一定,故感應(yīng)電流一定,由安培力F=BIL可知ab邊所受安培力與ab邊進(jìn)入磁場的長度成正比;第2 s內(nèi),導(dǎo)體框切割磁感線的有效長度均勻增大,感應(yīng)電動(dòng)勢均勻增大,感應(yīng)電流均勻增大;在2~4 s內(nèi),導(dǎo)體框在第二象限內(nèi)切割磁感線的有效長度保持不變,在第一象限內(nèi)切割磁感線的有效長度不斷增大,但兩象限磁場方向相反,導(dǎo)體框的兩部分感應(yīng)電動(dòng)勢方向相反,所以第2 s 末感應(yīng)電動(dòng)勢達(dá)到最大,之后便不斷減小,第3 s末與第1 s末導(dǎo)體框切割磁感線的有效長度相同,可知第3 s末與第1 s 末線框中產(chǎn)生的感應(yīng)電流大小相等,A項(xiàng)錯(cuò)誤,B項(xiàng)正確;但第3 s末ab邊進(jìn)入磁場的長度是第1 s末的3倍,即ab邊所受安培力在第3 s末的大小等于第1 s末所受安培力大小的3倍,C項(xiàng)正確,D項(xiàng)錯(cuò)誤。
19.(2020·全國卷Ⅲ)如圖,水平放置的圓柱形光滑玻璃棒左邊繞有一線圈,右邊套有一金屬圓環(huán)。圓環(huán)初始時(shí)靜止。將圖中開關(guān)S由斷開狀態(tài)撥至連接狀態(tài),電路接通的瞬間,可觀察到( )
A.撥至M端或N端,圓環(huán)都向左運(yùn)動(dòng)
B.撥至M端或N端,圓環(huán)都向右運(yùn)動(dòng)
C.撥至M端時(shí)圓環(huán)向左運(yùn)動(dòng),撥至N端時(shí)向右運(yùn)動(dòng)
D.撥至M端時(shí)圓環(huán)向右運(yùn)動(dòng),撥至N端時(shí)向左運(yùn)動(dòng)
【參考答案】B
【名師解析】 將開關(guān)S由斷開狀態(tài)撥至M端或N端,都會(huì)使線圈中的電流突然增大,穿過右邊圓環(huán)的磁通量突然增大,由楞次定律可知,圓環(huán)都會(huì)向右運(yùn)動(dòng)以阻礙磁通量的增大,選項(xiàng)B正確,A、C、D均錯(cuò)誤。
20.[多選](2020·全國卷Ⅰ)如圖,U形光滑金屬框abcd置于水平絕緣平臺(tái)上,ab和dc邊平行,和bc邊垂直。ab、dc足夠長,整個(gè)金屬框電阻可忽略。一根具有一定電阻的導(dǎo)體棒MN置于金屬框上,用水平恒力F向右拉動(dòng)金屬框,運(yùn)動(dòng)過程中,裝置始終處于豎直向下的勻強(qiáng)磁場中,MN與金屬框保持良好接觸,且與bc邊保持平行。經(jīng)過一段時(shí)間后( )
A.金屬框的速度大小趨于恒定值
B.金屬框的加速度大小趨于恒定值
C.導(dǎo)體棒所受安培力的大小趨于恒定值
D.導(dǎo)體棒到金屬框bc邊的距離趨于恒定值
【參考答案】BC
【名師解析】 用水平恒力F向右拉動(dòng)金屬框,bc邊切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢,回路中有感應(yīng)電流I,bc邊受到水平向左的安培力作用,設(shè)金屬框的質(zhì)量為M,加速度為a1,由牛頓第二定律有F-BIL=Ma1;導(dǎo)體棒MN受到向右的安培力,向右做加速運(yùn)動(dòng),設(shè)導(dǎo)體棒的質(zhì)量為m,加速度為a2,由牛頓第二定律有BIL=ma2。設(shè)金屬框bc邊的速度為v時(shí),導(dǎo)體棒的速度為v′,則回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢為E=BL(v-v′),由閉合電路歐姆定律得I==,F(xiàn)安=BIL,可得金屬框bc邊和導(dǎo)體棒MN所受的安培力均為F安=,二者加速度之差Δa=a1-a2=-=-F安(+),隨著所受安培力的增大,二者加速度之差Δa減小,當(dāng)Δa減小到零時(shí),=·(+),之后金屬框和導(dǎo)體棒的速度之差Δv=v-v′=,保持不變。由此可知,金屬框的速度逐漸增大,金屬框所受安培力趨于恒定值,金屬框的加速度大小趨于恒定值,導(dǎo)體棒所受的安培力F安=趨于恒定值,選項(xiàng)A錯(cuò)誤,B、C正確;由于導(dǎo)體棒的速度小于金屬框的速度,導(dǎo)體棒到金屬框bc邊的距離隨時(shí)間的增大而增大,選項(xiàng)D錯(cuò)誤。
21.(2020·天津等級(jí)考)如圖所示,垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間t均勻變化。正方形硬質(zhì)金屬框abcd放置在磁場中,金屬框平面與磁場方向垂直,電阻R=0.1 Ω,邊長l=0.2 m。求:
(1)在t=0到t=0.1 s時(shí)間內(nèi),金屬框中的感應(yīng)電動(dòng)勢E;
(2)t=0.05 s時(shí),金屬框ab邊受到的安培力F的大小和方向;
(3)在t=0到t=0.1 s時(shí)間內(nèi),金屬框中電流的電功率P。
【名師解析】:(1)在t=0到t=0.1 s的時(shí)間Δt內(nèi),磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化量ΔB=0.2 T,設(shè)穿過金屬框的磁通量變化量為ΔΦ,有
ΔΦ=ΔBl2 ①
由于磁場均勻變化,金屬框中產(chǎn)生的電動(dòng)勢是恒定的,有E=②
聯(lián)立①②式,代入數(shù)據(jù),解得E=0.08 V。 ③
(2)設(shè)金屬框中的電流為I,由閉合電路歐姆定律,有
I= ④
由題圖可知,t=0.05 s時(shí),磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1=0.1 T,金屬框ab邊受到的安培力
F=IlB1 ⑤
聯(lián)立①②④⑤式,代入數(shù)據(jù),解得F=0.016 N ⑥
方向垂直于ab向左。 ⑦
(3)在t=0到t=0.1 s時(shí)間內(nèi),金屬框中電流的電功率
P=I2R ⑧
聯(lián)立①②④⑧式,代入數(shù)據(jù),解得
P=0.064 W。 ⑨
答案:(1)0.08 V (2)0.016 N,方向垂直于ab向左 (3)0.064 W
22.(2020·浙江7月選考)如圖1所示,在絕緣光滑水平桌面上,以O(shè)為原點(diǎn)、水平向右為正方向建立x軸,在0≤x≤1.0 m區(qū)域內(nèi)存在方向豎直向上的勻強(qiáng)磁場。桌面上有一邊長L=0.5 m、電阻R=0.25 Ω的正方形線框abcd,當(dāng)平行于磁場邊界的cd邊進(jìn)入磁場時(shí),在沿x方向的外力F作用下以v=1.0 m/s的速度做勻速運(yùn)動(dòng),直到ab邊進(jìn)入磁場時(shí)撤去外力。若以cd邊進(jìn)入磁場時(shí)作為計(jì)時(shí)起點(diǎn),在0≤t≤1.0 s內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小與時(shí)間t的關(guān)系如圖2所示,在0≤t≤1.3 s內(nèi)線框始終做勻速運(yùn)動(dòng)。
(1)求外力F的大??;
(2)在1.0 s≤t≤1.3 s內(nèi)存在連續(xù)變化的磁場,求磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小與時(shí)間t的關(guān)系;
(3)求在0≤t≤1.3 s內(nèi)流過導(dǎo)線橫截面的電荷量q。
【名師解析】:(1)t0=0,B0=0.25 T,線框剛進(jìn)入磁場時(shí)
回路電流I=
安培力FA=v
外力F=FA=0.062 5 N。
(2)線框勻速出磁場,電流為0,磁通量不變?chǔ)?=Φ
t1=1.0 s時(shí),B1=0.5 T,磁通量Φ1=B1L2
t時(shí)刻,磁通量Φ=BL[L-v(t-t1)]
得B=。
(3)在0≤t≤0.5 s內(nèi)電荷量q1==0.25 C
在0.5 s≤t≤1.0 s內(nèi)電荷量q2==0.25 C
總電荷量q=q1+q2=0.5 C。
答案:(1)0.062 5 N (2)B= (3)0.5 C
第三部分 思路歸納,內(nèi)化方法
在應(yīng)用楞次定律時(shí)需注意的兩點(diǎn)
(1)利用楞次定律判斷的電流方向也是電路中感應(yīng)電動(dòng)勢的方向,利用右手定則判斷的電流方向也是做切割磁感線運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體上感應(yīng)電動(dòng)勢的方向。若電路為開路,可假設(shè)電路閉合,應(yīng)用楞次定律或右手定則確定電路中假想電流的方向即為感應(yīng)電動(dòng)勢的方向。
(2)在分析電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的電勢高低時(shí),一定要明確產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的那部分電路相當(dāng)于電源,在電源內(nèi)部,電流方向從低電勢處指向高電勢處。
1.圖像問題——掌握兩個(gè)技法
(1)排除法:定性地分析每一個(gè)過程中物理量的變化(增大還是減小)、變化快慢(均勻變化還是非均勻變化),特別是物理量的正負(fù),排除錯(cuò)誤的選項(xiàng)。
(2)函數(shù)法:根據(jù)題目所給條件定量地寫出兩個(gè)物理量之間的函數(shù)關(guān)系,然后由函數(shù)關(guān)系對(duì)圖像作出分析和判斷。
2.電磁感應(yīng)圖像問題分析的注意點(diǎn)
(1)注意初始時(shí)刻的特征,如初始時(shí)刻感應(yīng)電流是否為零,感應(yīng)電流的方向如何。
(2)注意電磁感應(yīng)發(fā)生的過程分為幾個(gè)階段,這幾個(gè)階段是否和圖像變化對(duì)應(yīng)。
(3)注意觀察圖像的變化趨勢,判斷圖像斜率的大小、圖像的曲直是否和物理過程對(duì)應(yīng)。
[微點(diǎn)撥] 電磁感應(yīng)中電路問題的解題流程
確定
解決電磁感應(yīng)中的電路和動(dòng)力學(xué)問題的關(guān)鍵
電磁感應(yīng)與動(dòng)力學(xué)問題聯(lián)系的橋梁是磁場對(duì)感應(yīng)電流的安培力。解答電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)問題,在分析方法上,要始終抓住導(dǎo)體的受力(特別是安培力)特點(diǎn)及其變化規(guī)律,明確導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)過程以及運(yùn)動(dòng)過程中狀態(tài)的變化,準(zhǔn)確把握運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的臨界點(diǎn)。
(1)電源:E=Blv或E=n分析電路的結(jié)構(gòu)
(2)受力分析:F安=BIl→F合=m a
(3)臨界點(diǎn)→運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化點(diǎn)
求解電磁感應(yīng)中能量問題的策略
(1)若回路中的電流恒定,可以利用電路結(jié)構(gòu)及W=UIt或Q=I2Rt直接進(jìn)行計(jì)算。
(2)若回路中的電流變化,則可按以下兩種情況計(jì)算:
①利用功能關(guān)系求解:電磁感應(yīng)中產(chǎn)生的電能等于克服安培力所做的功;
②利用能量守恒定律求解:其他形式的能的減少量等于回路中產(chǎn)生的電能,如例2的第(2)小題中焦耳熱的計(jì)算?! ?
[方法規(guī)律] “單桿+電阻+導(dǎo)軌”四種題型剖析
題型一(v0≠0)
題型二(v0=0)
題型三(v0=0)
題型四(v0=0)
說明
質(zhì)量為m,電阻不計(jì)的單桿cd以一定初速度v0在光滑水平軌道上滑動(dòng),兩平行導(dǎo)軌間距為L
軌道水平光滑,桿cd質(zhì)量為m,電阻不計(jì),兩平行導(dǎo)軌間距為L,拉力F恒定
傾斜軌道光滑,傾角為α,桿cd質(zhì)量為m,電阻不計(jì),兩平行導(dǎo)軌間距為L
豎直軌道光滑,桿cd質(zhì)量為m,電阻不計(jì),兩平行導(dǎo)軌間距為L
示意圖
力學(xué)觀點(diǎn)
桿以速度v切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢E=BLv,電流I=,安培力F=BIL=。桿做減速運(yùn)動(dòng):v↓?F↓?a↓,當(dāng)v=0時(shí),a=0,桿保持靜止
開始時(shí)a=,桿cd速度v↑?感應(yīng)電動(dòng)勢E=BLv↑?I↑?安培力F安=BIL↑,由F-F安=ma知a↓,當(dāng)a=0時(shí),v最大,vm=
開始時(shí)a=gsin α,桿cd速度v↑?感應(yīng)電動(dòng)勢E=BLv↑?I↑?安培力F安=BIL↑,由mgsin α-F安=ma知a↓,當(dāng)a=0時(shí),v最大,vm=
開始時(shí)a=g,桿cd速度v↑?感應(yīng)電動(dòng)勢E=BLv↑?I↑?安培力F安=BIL↑,由mg-F安=ma知a↓,當(dāng)a=0時(shí),v最大,vm=
圖像觀點(diǎn)
能量觀點(diǎn)
動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能:Q=mv02
F做的功一部分轉(zhuǎn)化為桿的動(dòng)能,一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能:
WF=Q+mvm2
重力做的功(或減少的重力勢能)一部分轉(zhuǎn)化為桿的動(dòng)能,一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能:
WG=Q+mvm2
重力做的功(或減少的重力勢能)一部分轉(zhuǎn)化為桿的動(dòng)能,一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能:WG=Q+mvm2
[方法規(guī)律] “單桿+電容器(或電源)+導(dǎo)軌”四種題型剖析
題型一(v0=0)
題型二(v0=0)
題型三(v0=0)
題型四(v0=0)
說明
軌道水平光滑,桿cd質(zhì)量為m,電阻不計(jì),兩平行導(dǎo)軌間距為L
軌道水平光滑,桿cd質(zhì)量為m,電阻不計(jì),兩平行導(dǎo)軌間距為L,拉力F恒定
軌道傾斜光滑,桿cd質(zhì)量為m,電阻不計(jì),兩平行導(dǎo)軌間距為L
軌道豎直光滑,桿cd質(zhì)量為m,電阻為R,兩平行導(dǎo)軌間距為L
示意圖
力學(xué)觀點(diǎn)
S閉合,桿cd受安培力F=,a=,桿cd速度v↑?感應(yīng)電動(dòng)勢E感=BLv↑?I↓?安培力F=BIL↓?加速度a↓,當(dāng)E感=E時(shí),v最大,且vmax=
開始時(shí)a=,桿cd速度v↑?E=BLv↑,經(jīng)過Δt速度為v+Δv,E′=BL(v+Δv),Δq=C(E′-E)=CBLΔv,I==CBLa,F(xiàn)安=CB2L2a,F(xiàn)-F安=ma,a=,所以桿做勻加速運(yùn)動(dòng)
開始時(shí)a=gsin α,桿cd速度v↑?E=BLv↑,經(jīng)過Δt速度為v+Δv,E′=BL(v+Δv),Δq=C(E′-E)=CBLΔv,I==CBLa,F(xiàn)安=CB2L2a,mgsin α-F安=ma,a=,所以桿做勻加速運(yùn)動(dòng)
開始時(shí)a=g,桿cd速度v↑?E=BLv↑,經(jīng)過Δt速度為v+Δv,E′=BL(v+Δv),Δq=C(E′-E)=CBLΔv,I==CBLa,F(xiàn)安=CB2L2a,mg-F安=ma,a=,所以桿做勻加速運(yùn)動(dòng)
圖像觀點(diǎn)
能量觀點(diǎn)
電源輸出的電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能:W電=mvm2
F做的功一部分轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,一部分轉(zhuǎn)化為電場能:WF=mv2+EC
重力做的功一部分轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,一部分轉(zhuǎn)化為電場能:WG=mv2+EC
重力做的功一部分轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,一部分轉(zhuǎn)化為電場能:WG=mv2+EC
[方法規(guī)律] “雙桿+導(dǎo)軌”四種題型剖析(雙棒質(zhì)量m1=m2、電阻r1=r2,導(dǎo)軌電阻不計(jì))
題型一(光滑的平行導(dǎo)軌)
題型二(光滑不等距導(dǎo)軌)
題型三(光滑的平行導(dǎo)軌)
題型四(不光滑平行導(dǎo)軌)
示意圖
導(dǎo)體棒長度L1=L2
導(dǎo)體棒長度L1=2L2,兩棒只在各自的軌道上運(yùn)動(dòng)
導(dǎo)體棒長度L1=L2
摩擦力Ff1=Ff2=Ff
導(dǎo)體棒長度L1=L2
圖像觀點(diǎn)
力學(xué)觀點(diǎn)
棒1做加速度減小的減速運(yùn)動(dòng),棒2做加速度減小的加速運(yùn)動(dòng),穩(wěn)定時(shí),兩棒以相等的速度勻速運(yùn)動(dòng)
棒1做加速度減小的減速運(yùn)動(dòng),棒2做加速度減小的加速運(yùn)動(dòng),穩(wěn)定時(shí),兩棒的加速度均為零,速度之比為1∶2
開始時(shí),兩棒做變加速運(yùn)動(dòng);穩(wěn)定時(shí),兩棒以相同的加速度做勻加速運(yùn)動(dòng)
開始時(shí),若Ff2Ff,則棒2先做變加速運(yùn)動(dòng)后做勻加速運(yùn)動(dòng),棒1先靜止后做變加速運(yùn)動(dòng),最后和棒2做加速度相同的勻加速運(yùn)動(dòng)
動(dòng)量觀點(diǎn)
兩棒組成的系統(tǒng)動(dòng)量守恒
兩棒組成的系統(tǒng)動(dòng)量不守恒
對(duì)單棒可以用動(dòng)量定理
兩棒組成的系統(tǒng)動(dòng)量不守恒
對(duì)單棒可以用動(dòng)量定理
兩棒組成的系統(tǒng)動(dòng)量不守對(duì)單棒可以用動(dòng)量定理恒
能量觀點(diǎn)
系統(tǒng)動(dòng)能的減少量等于產(chǎn)生的焦耳熱
系統(tǒng)動(dòng)能的減少量等于產(chǎn)生的焦耳熱
拉力做的功一部分轉(zhuǎn)化為雙棒的動(dòng)能,一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能(焦耳熱):W=Q+Ek1+Ek2
拉力做的功一部分轉(zhuǎn)化為雙棒的動(dòng)能,一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能(摩擦熱和焦耳熱):W=Q1+Q2+Ek1+Ek2
解決線框模型問題的兩大關(guān)鍵
(1)分析電磁感應(yīng)情況:弄清線框在運(yùn)動(dòng)過程中是否有磁通量不變的階段,線框進(jìn)入和穿出磁場的過程中,才有感應(yīng)電流產(chǎn)生,結(jié)合閉合電路歐姆定律列方程解答。
(2)分析線框的受力以及運(yùn)動(dòng)情況,選擇合適的力學(xué)規(guī)律處理問題:在題目中涉及電荷量、時(shí)間以及安培力為變力時(shí)應(yīng)選用動(dòng)量定理處理問題;如果題目中涉及加速度的問題時(shí)選用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解決問題比較方便?! ?
第四部分 最新模擬集萃,提升應(yīng)試能力
1. (2022年9月甘肅張掖一診)如圖,面積為的50匝線圈處于勻強(qiáng)磁場中,磁場方向垂直于線圈平面向里。已知磁感應(yīng)強(qiáng)度以0.5T/s的變化率增強(qiáng),定值電阻,線圈電阻,不計(jì)其它電阻。下列說法正確的是( ?。?br />
A. 線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向?yàn)轫槙r(shí)針方向
B. 線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢大小為E=75V
C. 通過的電流為I=5A
D. ab兩端的電壓為U=4V
【參考答案】D
【名師解析】
根據(jù)楞次定律可以判斷線圈感應(yīng)電流的方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向,故A錯(cuò)誤;
由法拉第電磁感應(yīng)定律知,故B錯(cuò)誤;
由閉合電路歐姆定律知。故C錯(cuò)誤;
ab兩端的電壓等于R1的電壓,為,故D正確。
2. (2023陜西師大附中期初檢測)如圖所示,邊長為L的正方形單匝線框有一半水平放置在與水平方向夾角為30°的勻強(qiáng)磁場中,線框的左側(cè)接入電阻R,右側(cè)接入電容為C的電容器,其余電阻不計(jì)。若勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間t的變化規(guī)律如圖乙所示(規(guī)定斜向下為正方向),則在時(shí)間內(nèi)( ?。?br />
A. 電容器a板帶負(fù)電
B. 電容器所帶的電荷量為零
C. 線框中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢大小為
D. 線框中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢大小為
【參考答案】AD
【名師解析】
依據(jù)楞次定律,結(jié)合規(guī)定斜向下為正方向,則在t0時(shí)間前,線圈的感應(yīng)電流方向逆時(shí)針方向,當(dāng)t0時(shí)間后,線圈的感應(yīng)電流方向仍為逆時(shí)針方向,依據(jù)電源內(nèi)部電流方向由負(fù)極到正極,因此電容器a板帶負(fù)電,故A正確;根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,線框中產(chǎn)生的電動(dòng)勢為
,故C錯(cuò)誤,D正確;
由上可知,在時(shí)間內(nèi)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢為,根據(jù)Q=CU
可知電容器所帶的電荷量不為零,故B錯(cuò)誤。
3.(2022年9月河北示范性高中調(diào)研)如圖甲所示,間距為L=1m的長直平行金屬導(dǎo)軌PQ、MN水平放置,其右端接有阻值為R=1.5Ω的電阻,一阻值為r=0.5Ω、質(zhì)量為m=0.2kg、長度為L的金屬棒ab垂直導(dǎo)軌放置于距導(dǎo)軌右端d=2m處,與兩導(dǎo)軌保持良好接觸。整個(gè)裝置處在豎直向上的勻強(qiáng)磁場中,磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小隨時(shí)間變化的情況如圖乙所示。在0~1.0s內(nèi)金屬棒ab保持靜止,1.0s后金屬棒在水平外力的作用下運(yùn)動(dòng),使回路的電流為零。導(dǎo)軌電阻不計(jì),重力加速度,滑動(dòng)摩擦力等于最大靜摩擦力。下列說法正確的是( )
A.動(dòng)摩擦因數(shù)需等于0.5
B.前2s內(nèi)通過電阻R的電荷量為2C
C.1s后金屬棒做勻加速直線運(yùn)動(dòng)
D.第2s內(nèi)金屬棒的位移為1m
【參考答案】.D
【名師解析】:在0~1.0s內(nèi),由法拉第電磁感應(yīng)定律可得電動(dòng)勢為
由閉合電路的歐姆定律得電流的大小為
由金屬棒靜止可知最大靜摩擦力大于等于安培力
解得,A選項(xiàng)錯(cuò)誤。
0~1s內(nèi)電流恒定為1A,1~2s內(nèi)電流為零,故前兩秒內(nèi)通過的電荷量q=It=1C。B選項(xiàng)錯(cuò)誤。
由法拉第電磁感應(yīng)定律知,1s后回路磁通量不變。
t=1s時(shí),
t時(shí)刻()導(dǎo)體棒的位移設(shè)為x,由圖像知t時(shí)刻磁感應(yīng)強(qiáng)度B=t
t時(shí)刻()回路磁通量
解得,金屬棒不是做勻加速直線運(yùn)動(dòng)。C選項(xiàng)錯(cuò)誤。
t=2s時(shí),金屬棒第2s內(nèi)的位移為x=1m。D選項(xiàng)正確。
4. (2022年9月甘肅張掖一診)如圖所示,MN和PQ是電阻不計(jì)的平行金屬導(dǎo)軌,其間距為L,導(dǎo)軌彎曲部分光滑,平直部分粗糙,二者平滑連接。右端接一個(gè)阻值為R的定值電阻。平直部分導(dǎo)軌左邊區(qū)域有寬度為d、方向豎直向上、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場。質(zhì)量為m、電阻也為R的金屬棒從高度為h處靜止釋放,到達(dá)磁場右邊界處恰好停止。己知金屬棒與平直分導(dǎo)軌間的動(dòng)摩擦因數(shù)為,金屬棒與導(dǎo)軌間接觸良好。則金屬棒穿過磁場區(qū)域的過程中( ?。?br />
A. 流過定值電阻的電流方向是
B. 通過金屬棒的電荷量為
C. 金屬棒在磁場中運(yùn)動(dòng)的加速度不變
D. 金屬棒產(chǎn)生的焦耳熱為
【參考答案】BD
【名師解析】
金屬棒下滑到最低端時(shí)速度向右,而且磁場豎直向上,根據(jù)右手定則可以知道流過定值電阻的電流方向?yàn)镼→N,故A錯(cuò)誤;B.根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,通過金屬棒的電荷量為
故B正確;由于金屬棒做切割磁感線運(yùn)動(dòng),使得金屬棒中有電流通過,根據(jù)安培定則可知,金屬棒所受安培力水平向左,所以金屬棒做運(yùn)動(dòng),故有
所以由于v在不斷的變小,所以加速度也在不斷變小。故C錯(cuò)誤;
根據(jù)能量守恒可知
由于電阻R和金屬棒的電阻值相等,所以有
所以產(chǎn)生的焦耳熱,故D正確。
故選BD。
【點(diǎn)睛】注意金屬棒在磁場中會(huì)由于安培力的作用而不斷減速,導(dǎo)致產(chǎn)生的感應(yīng)電流逐步變小。
5. (2023四川內(nèi)江一中入學(xué)考試)如圖所示,在光滑絕緣的水平面上方,有兩個(gè)方向相反的水平方向的勻強(qiáng)磁場,PQ 為兩磁場的邊界,磁場范圍足夠大,磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小分別為B和2B。一個(gè)豎直放置的邊長為a、質(zhì)量為m、電阻為R的正方形金屬線框,以初速度2v垂直磁場方向從圖中實(shí)線位置開始向右運(yùn)動(dòng),當(dāng)線框運(yùn)動(dòng)到每個(gè)磁場中各有一半的面積時(shí),線框的速度變?yōu)関,則下列判斷正確的( )
A. 此時(shí)線框的加速度為
B. 此時(shí)線框中的電功率為
C. 此過程中通過線框截面的電量為
D. 此過程中線框克服安培力做的功為
【參考答案】AC
【名師解析】
此時(shí)線框中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢
線框電流為
由牛頓第二定律得
解得,故A正確;
此時(shí)線框的電功率為,故B錯(cuò)誤;
A.此過程的感應(yīng)電動(dòng)勢為
感應(yīng)電流為
電荷量為,故C正確;
.由能量守恒定律得,克服安培力做的功等于線框減少的動(dòng)能,有
故D錯(cuò)誤;
6.(2023四川內(nèi)江一中入學(xué)考試) 如圖所示,L是自感系數(shù)很大的線圈,但其自身的電阻幾乎為零。A和B是兩個(gè)完全相同的小燈泡。下列說法正確的是( ?。?br />
A 閉合開關(guān)S后,A燈亮,B燈不亮
B. 閉合開關(guān)S后,A、B燈亮,之后B燈慢慢熄滅,A燈更亮
C. 開關(guān)S閉合電路穩(wěn)定后,在突然斷開的瞬間,A、B燈都閃亮一下
D. 開關(guān)S閉合電路穩(wěn)定后,在突然斷開的瞬間,A燈立即熄滅、B燈閃亮一下再熄滅
【參考答案】BD
【名師解析】
開關(guān)S閉合瞬間,線圈L因自感對(duì)電流有阻礙作用,則相當(dāng)于燈泡A與B串聯(lián),因此兩燈同時(shí)亮且亮度相同,穩(wěn)定后B燈被短路熄滅,A燈更亮,A錯(cuò)誤,B正確;
電路穩(wěn)定后當(dāng)開關(guān)S突然斷開瞬間,A燈中不會(huì)再有電流通過,故A燈馬上熄滅,由于線圈的自感使得線圈中的電流只能慢慢減小,其相當(dāng)于電源與B燈構(gòu)成閉合回路放電,B燈閃亮一下再熄滅,C錯(cuò)誤,D正確。
7.(11分)(2023江西紅色十校第一次聯(lián)考)如圖,間距為L的足夠長的“”形金屬線框abcd靜置在光滑水平桌面上,質(zhì)量為m的導(dǎo)體桿A平行bc邊放置在線框上,且保持與金屬線框接觸良好,二者間的動(dòng)摩擦因數(shù)為,導(dǎo)體桿A始終擋在兩個(gè)固定小立柱M、N的左側(cè)??臻g存在磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B、方向豎直向上的勻強(qiáng)磁場。某時(shí)刻,對(duì)bc邊施加一水平向右的拉力F(大小未知),當(dāng)導(dǎo)體桿A離bc邊距離恰好為L時(shí),線框開始以速度v做勻速運(yùn)動(dòng),并以此刻作為計(jì)時(shí)起點(diǎn)。已知導(dǎo)體桿和金屬線框單位長度的電阻均為r,重力加速度為g。在t時(shí)刻,求:
(1)立柱M受到導(dǎo)體桿的壓力大小;
(2)水平拉力F的大小;
(3)回路中的電功率。
【名師解析】:(1)開始計(jì)時(shí)以后導(dǎo)體桿做勻速直線運(yùn)動(dòng),感應(yīng)電動(dòng)勢(1分)
回路的電阻(1分)
由閉合電路歐姆定律(1分)
導(dǎo)體桿受到的安培力大小為(1分)
方向水平向右
立柱M受到的壓力大小(1分)
(2)由上可知,bc加邊受到的安培力與導(dǎo)體桿受到的安培力大小相等
有(1分)
方向水平向左
導(dǎo)體桿對(duì)線框的摩擦力大小(1分)
由平衡條件可知,水平拉力大?。?分)
(3)回路中的電功率(1分)
(2分)
說明:只有結(jié)果,沒有公式或文字說明的不給分,其他正確解法亦可得分。
8.(12分) (2023江蘇百校聯(lián)考第一次考試)如圖所示,兩平行光滑金屬導(dǎo)軌MN、PQ被固定在同一水平面內(nèi),間距為L,電阻不計(jì)。導(dǎo)軌的M、P兩端用導(dǎo)線連接一定值電阻,阻值為R,在PM的右側(cè)0到x0區(qū)域里有方向豎直向下的勻強(qiáng)磁場,其磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0。一直導(dǎo)體棒cd質(zhì)量為m,長度為L,電阻為R,其兩端放在導(dǎo)軌上且靜止在x=0處,現(xiàn)對(duì)導(dǎo)體棒持續(xù)施加一作用力F,使導(dǎo)體棒從靜止開始沿x正方向做加速度為a的勻加速運(yùn)動(dòng),求:(用m、L、R、x0、a表示)
(1)導(dǎo)體棒在磁場中運(yùn)動(dòng)到x0時(shí),導(dǎo)體棒的熱功率;
(2)導(dǎo)體棒從0運(yùn)動(dòng)到x0過程中,通過電阻R的電量;
(3)導(dǎo)體棒從0運(yùn)動(dòng)到x0過程中,作用力F的最大值。
【參考答案】.(12分)(1) (2) (3)ma+
【名師解析】(1)導(dǎo)體棒做勻加速運(yùn)動(dòng),則從靜止運(yùn)動(dòng)到x0處的速度為v,有2ax0=v2 (1分)
感應(yīng)電動(dòng)勢 E=B0Lv (1分)
得導(dǎo)體棒產(chǎn)生的電動(dòng)勢為E=B0L (1分)
導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)到x0時(shí)產(chǎn)生的熱功率P=()2R=?!?1分)
(2)由q=t= (2分)
得q=?!?2分)
(3)在磁場中x0位置,有F-B0L=ma (2分)
解得:F=ma+?!?2分)
其他解法參考賦分
9. (2023云南昆明云南師大附中質(zhì)檢)如圖,P、Q是兩根固定在水平面內(nèi)的光滑平行金屬導(dǎo)軌,間距為L,導(dǎo)軌足夠長且電阻可忽略不計(jì)。圖中EFHG矩形區(qū)域有一方向垂直導(dǎo)軌平面向上、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場。在0時(shí)刻,兩均勻金屬棒a、b分別從磁場邊界EF、GH進(jìn)入磁場,速度大小均為;一段時(shí)間后,金屬棒a、b沒有相碰,且兩棒整個(gè)過程中相距最近時(shí)b棒仍位于磁場區(qū)域內(nèi)。已知金屬棒a、b長度均為L,電阻均為R,a棒的質(zhì)量為2m、b棒的質(zhì)量為m,最終其中一棒恰好停在磁場邊界處,在運(yùn)動(dòng)過程中兩金屬棒始終與導(dǎo)軌垂直且接觸良好。求:
(1)0時(shí)刻a棒的加速度大??;
(2)兩棒整個(gè)過程中相距最近的距離s;
(3)整個(gè)過程中,a棒產(chǎn)生的焦耳熱。
【參考答案】(1);(2);(3)
【名師解析】
(1)由題知,a進(jìn)入磁場的速度方向向右,b的速度方向向左,根據(jù)右手定則可知,a產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向是E到F,b產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向是H到G,即兩個(gè)感應(yīng)電流方向相同,所以流過a、b的感應(yīng)電流是兩個(gè)感應(yīng)電流之和,則有
對(duì)a,根據(jù)牛頓第二定律有
解得
(2)取向右為正方向,相距最近時(shí),根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)量守恒有
解得
此時(shí),電路中感應(yīng)電流為0,a、b棒一起向右勻速運(yùn)動(dòng),直到b棒出磁場區(qū)域;之后b棒不受安培力、a棒受安培力減速直到停下,對(duì)a,有
解得
(3)對(duì)a、b組成的系統(tǒng),最終b棒一直做勻速直線運(yùn)動(dòng),根據(jù)能量守恒有
解得回路中產(chǎn)生的總熱量為
對(duì)a、b,根據(jù)焦耳定律有
因a、b流過的電流一直相等,所用時(shí)間相同,故a、b產(chǎn)生的熱量與電阻成正比,即
∶=1∶1
又
解得a棒產(chǎn)生的焦耳熱為
10. (2023四川內(nèi)江一中入學(xué)考試)如圖所示,平行金屬導(dǎo)軌和,其中和為R=0.8m的四分之一光滑圓軌道,和為對(duì)應(yīng)圓軌道的圓心,、在、正下方且為圓軌道和水平軌道的平滑連接點(diǎn),和為足夠長的粗糙水平軌道,并處于豎直向上的勻強(qiáng)磁場中,磁感應(yīng)強(qiáng)度,導(dǎo)軌間距。兩導(dǎo)體棒a、b始終垂直于兩導(dǎo)軌且與導(dǎo)軌接觸良好,a、b的質(zhì)量均為1kg,電阻均為,導(dǎo)軌電阻不計(jì),a、b棒與水平軌道間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)均為。初始時(shí)刻,b棒靜止在水平導(dǎo)軌上,與間的距離為,a棒從與圓心等高的處靜止釋放。當(dāng)a棒剛進(jìn)入磁場時(shí),在b棒中點(diǎn)處施加一個(gè)與導(dǎo)軌平行且水平向右的恒力,經(jīng)兩棒速度相等。已知a、b棒在運(yùn)動(dòng)的過程中不會(huì)發(fā)生碰撞(g取10m/s2)。求:
(1)導(dǎo)體棒a剛到達(dá)時(shí)對(duì)導(dǎo)軌的壓力大?。?br />
(2)0~0.5s內(nèi)通過導(dǎo)體棒b的電荷量;
(3)0~0.5s內(nèi)兩導(dǎo)體棒間的最短距離。
【參考答案】(1)30N;(2)1C;(3)1m
【名師解析】
(1)導(dǎo)體棒a下滑到達(dá)過程,根據(jù)動(dòng)能定理有
導(dǎo)體棒a剛到達(dá)時(shí)
由牛頓第三定律有
(2)對(duì)a、b系統(tǒng),所受合外力為零,由動(dòng)量守恒定律有
對(duì)a棒由動(dòng)量定理有
通過截面的電量
解得
(3)由歐姆定律有
感應(yīng)電動(dòng)勢
又由于
解得
11. (2023湖北新高考協(xié)作體高三起點(diǎn)考試)如圖所示,夾角為足夠長的光滑金屬框架AOC固定在水平面內(nèi),磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場垂直水平面,足夠長且質(zhì)量為m的導(dǎo)體棒DE在水平外力作用下以速度v從O點(diǎn)(0時(shí)刻)沿框架角平分線向右勻速運(yùn)動(dòng),金屬桿與框架構(gòu)成等腰三角形(金屬桿所在邊為底),框架電阻不計(jì),導(dǎo)體棒單位長度的電阻為r,導(dǎo)體棒在滑動(dòng)過程始終保持與金屬框架兩邊接觸良好,求:(取,)
(1)t時(shí)刻流過導(dǎo)體棒的電流大小;
(2)t時(shí)刻水平外力F的表達(dá)式;
(3)0~t時(shí)間內(nèi),導(dǎo)體棒產(chǎn)生的焦耳熱Q;
(4)若在t時(shí)刻撤去外力,導(dǎo)體棒在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中的位移大小x。
【參考答案】(1);(2);(3);(4)
【名師解析】
(1)設(shè)t時(shí)刻電路中導(dǎo)體棒長度為l,電路總電阻為R,電流為I,由感應(yīng)電動(dòng)勢及歐姆定律有
由幾何關(guān)系可知
l=2vttan37°
電路總電阻
R=lr
聯(lián)立解得
(2)由于導(dǎo)體棒勻速運(yùn)動(dòng),則
F=BIl
解得
(3)t時(shí)刻導(dǎo)體棒消耗熱功率
P=I2R
可得
熱功率與時(shí)間t成正比,可由P-t圖像面積得0~t時(shí)間內(nèi)導(dǎo)體棒產(chǎn)生的焦耳熱
(4)設(shè)撤去外力F后導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)過程中某時(shí)刻在電路中長度為l1,速度大小為v1,此時(shí)電路電流I1由(1)問有
取該時(shí)刻后極短時(shí)間△t,導(dǎo)體棒速度變化量△v,由動(dòng)量定理有
可得
上式中為極短時(shí)間△t內(nèi)導(dǎo)體棒在金屬框架中掃過的面積,設(shè)導(dǎo)體棒停止運(yùn)動(dòng)時(shí)
在電路中長度為l2,那么有
由幾何關(guān)系可知
l2=2xtan37°
聯(lián)立解得
12. (2023湖南三湘創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)考)質(zhì)量為m、邊長為L的均勻?qū)Ь€首尾相接制成的單匝正方形閉合導(dǎo)線框abcd,總電阻為R。將其置于磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的水平勻強(qiáng)磁場上方h處,磁場的上邊界水平,方向垂直紙面向外,如圖所示。將導(dǎo)線框由靜止釋放,當(dāng)導(dǎo)線框一半面積進(jìn)入磁場時(shí),恰好處于平衡狀態(tài),導(dǎo)線框平面保持在豎直平面內(nèi),且b、d兩點(diǎn)的連線始終水平,已知重力加速度大小為g,不計(jì)空氣阻力。求:
(1)導(dǎo)線框一半面積進(jìn)入磁場時(shí),導(dǎo)線框的速度大小v;
(2)導(dǎo)線框從靜止下落到一半面積進(jìn)入磁場時(shí),導(dǎo)線產(chǎn)生的熱量Q;
(3)導(dǎo)線框從靜止下落到完全進(jìn)入磁場時(shí),通過導(dǎo)線框某一橫截面的電荷量q。
【參考答案】(1);(2);(3)
【名師解析】
(1)導(dǎo)線框一半面積進(jìn)入磁場時(shí),線框切割磁感線的有效長度為,則線框產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢為
根據(jù)閉合電路的歐姆定律可知線框中的感應(yīng)電流為
根據(jù)平衡條件有
解得
(2)導(dǎo)線框從靜止下落到一半面積進(jìn)入磁場的過程中,根據(jù)能量守恒定律有
解得
(3)導(dǎo)線框進(jìn)入磁場過程中的平均感應(yīng)電動(dòng)勢
平均感應(yīng)電流為
根據(jù)電流的定義有
解得
13. (2023河南鄭州四中第一次調(diào)研)如圖所示,一個(gè)匝數(shù)n=1000匝、邊長l=20cm、電阻r=1Ω的正方形線圈,在線圈內(nèi)存在面積S=0.03m2的勻強(qiáng)磁場區(qū)域,磁場方向垂直于線圈所在平面向里,磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B隨時(shí)間t變化的規(guī)律是B=0.15t(T)。電阻R與電容器C并聯(lián)后接在線圈兩端,電阻R=2Ω,電容C=30μF。下列說法正確的是( ?。?br />
A. 線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢為4.5V
B. 若b端電勢為0,則a端電勢為3V
C. 電容器所帶電荷量為1.2×10-4C
D. 穩(wěn)定狀態(tài)下電阻的發(fā)熱功率為4.5W
【參考答案】AD
【名師解析】
根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知,線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢
,A正確;
電流
電容器兩端電勢差
由楞次定律可判斷感應(yīng)電流方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向,即a端電勢低、b端電勢高,由于b端接地,故有,,B錯(cuò)誤;
電容器帶電荷量,C錯(cuò)誤;
電阻的發(fā)熱功率,D正確。
14. (2022重慶第9次質(zhì)檢)如圖甲所示,是一種手壓式環(huán)保節(jié)能手電筒的結(jié)構(gòu)示意圖。使用時(shí),迅速按壓手柄,燈泡(可視為純電阻)就能發(fā)光,這種不需要干電池的手電筒的工作原理是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象。其轉(zhuǎn)動(dòng)裝置和齒輪傳動(dòng)裝置的簡化原理圖如圖乙、丙所示。假設(shè)圖乙中的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置由金屬內(nèi)圈和金屬外圈構(gòu)成,內(nèi)、外圈之間接有一根沿半徑方向的金屬條ab,燈泡通過電刷分別跟內(nèi)外線圈相連接(圖乙中未畫出)。整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上,處于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中,磁場方向垂直線圈平面(紙面)向里。圖丙中的齒輪傳動(dòng)裝置中A齒輪固定在轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上,B、C齒輪同心固定,C輪邊緣與手柄相嚙合,A、B齒輪邊緣相嚙合,手柄重力忽略不計(jì)( )
A. 向下壓手柄時(shí),齒輪C逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)
B. 轉(zhuǎn)動(dòng)裝置中的A齒輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),電流由a流向b
C. 手柄向下向上運(yùn)動(dòng)時(shí)流過ab桿的電流方向相同
D. 流過燈泡的電流大小與手柄向下壓的速度成正比
【參考答案】D
【名師解析】由丙圖可知,向下壓手柄時(shí),齒輪C順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),A錯(cuò)誤;
轉(zhuǎn)動(dòng)裝置中的A齒輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),金屬條ab逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁感線,回路閉合,由右手定則知電流由b流向a,B錯(cuò)誤;手柄向下和向上運(yùn)動(dòng)時(shí),A齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反,流過ab桿的電流方向相反,C錯(cuò)誤;流過燈泡的電流
知與A齒輪的角速度成正比;A齒輪與B齒輪邊緣點(diǎn)線速度大小相等,B齒輪與C齒輪邊緣角速度相等,C齒輪邊緣線速度大小等于手柄上下運(yùn)動(dòng)的速度大小,由于各齒輪半徑不變,所以A齒輪的角速度,與手柄上下運(yùn)動(dòng)的速度大小成正比,則流過燈泡的電流大小與手柄向下壓的速度成正比,D正確。
【知識(shí)拓展】手壓式環(huán)保節(jié)能手電筒的內(nèi)部,有一發(fā)電機(jī),通過手壓發(fā)電,使燈泡發(fā)光。
15. (2023湖南永州一模) 如圖所示,水平虛線、之間存在勻強(qiáng)磁場,磁場方向垂直于紙面向里,磁場區(qū)域的高度為h。豎直平面內(nèi)有一質(zhì)量為m的直角梯形線框,其底邊水平,上、下邊長之比為1:4,高為線框ABCD在磁場邊界的下方h處,受到豎直向上的拉力作用,從靜止開始運(yùn)動(dòng)(上升過程中底邊始終水平,線框平面始終與磁場方向垂直),當(dāng)AB邊剛進(jìn)入磁場時(shí),線框的加速度恰好為零,且在DC邊剛進(jìn)入磁場前的一段時(shí)間內(nèi),線框做勻速運(yùn)動(dòng)。重力加速度為g,下列正確的是( )
A. AB邊剛進(jìn)入磁場時(shí),線框的速度為
B. AB邊剛進(jìn)入磁場時(shí),線框中感應(yīng)電流的瞬時(shí)電功率為
C. DC邊剛進(jìn)入磁場時(shí),線框加速度大小為
D. 從線框開始運(yùn)動(dòng)到DC邊剛進(jìn)入磁場的過程中,線框產(chǎn)生的焦耳熱為
【參考答案】BD
【名師解析】
設(shè)AB邊剛進(jìn)入磁場時(shí)速度為v0,線框的電阻為R,AB=l,則CD=4l,根據(jù)動(dòng)能定理
解得
A錯(cuò)誤;
B.AB邊剛進(jìn)入磁場時(shí),線框的加速度恰好為零,則此時(shí)安培力的大小為
線框中感應(yīng)電流的瞬時(shí)電功率為
B正確;
D.AB剛進(jìn)入磁場時(shí)加速度為0,則有
設(shè)DC邊剛進(jìn)入磁場前勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)速度為v1,線框切割磁感應(yīng)線的有效長度為1.5l線框勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)有
聯(lián)立解得
從線框開始到CD邊進(jìn)入磁場前瞬間,根據(jù)能量守恒定律得
聯(lián)立解得
D正確;
C.CD剛進(jìn)入磁場瞬間,線框切割磁感應(yīng)線的有效長度為2.5l
由閉合電路歐姆定律得
由牛頓第二定律得
解得
C錯(cuò)誤;
故選BD。
16.(2023浙江模擬)如圖甲所示,水平面上的兩光滑金屬導(dǎo)軌平行固定放置,間距d=0.5 m,電阻不計(jì),左端通過導(dǎo)線與阻值R =2 W的電阻連接,右端通過導(dǎo)線與阻值RL =4 W的小燈泡L連接.在CDEF矩形區(qū)域內(nèi)有豎直向上的勻強(qiáng)磁場,CE長 ="2" m,有一阻值r ="2" W的金屬棒PQ放置在靠近磁場邊界CD處.CDEF區(qū)域內(nèi)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間變化如圖乙所示.在t=0至t=4s內(nèi),金屬棒PQ保持靜止,在t=4s時(shí)使金屬棒PQ以某一速度進(jìn)入磁場區(qū)域并保持勻速運(yùn)動(dòng).已知從t=0開始到金屬棒運(yùn)動(dòng)到磁場邊界EF處的整個(gè)過程中,小燈泡的亮度沒有發(fā)生變化,求:
(1)通過小燈泡的電流.
(2)金屬棒PQ在磁場區(qū)域中運(yùn)動(dòng)的速度大?。?
【名師解析】.(1)在t=0至t=4s內(nèi),金屬棒PQ保持靜止,磁場變化導(dǎo)致電路中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢.
電路為r與R并聯(lián),再與RL串聯(lián),電路的總電阻
①
此時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢
②
通過小燈泡的電流為: ③
(2)當(dāng)棒在磁場區(qū)域中運(yùn)動(dòng)時(shí),由導(dǎo)體棒切割磁感線產(chǎn)生電動(dòng)勢,電路為R與RL并聯(lián),再與r串聯(lián),此時(shí)電路的總電阻
④
由于燈泡中電流不變,所以燈泡的電流IL=0.1A,則流過棒的電流為
⑤
電動(dòng)勢 ⑥
解得棒PQ在磁場區(qū)域中運(yùn)動(dòng)的速度大小
v=1m/s⑦
17. (2023浙江名校新高考研究聯(lián)盟第一次聯(lián)考)如圖所示,水平固定一半徑r=0.2m的金屬圓環(huán),長為2r、電阻值為R=0.1Ω的一金屬棒沿直徑放置,兩端與圓環(huán)接觸良好,金屬棒的中心固定在過圓心的豎直導(dǎo)電轉(zhuǎn)軸上,棒隨軸以角速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)動(dòng)方向如圖。圓環(huán)內(nèi)左半圓存在豎直向上、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B=2T的勻強(qiáng)磁場。MP和NQ是豎直平面內(nèi)間距l(xiāng)=0.1m的兩平行金屬導(dǎo)軌,P端通過開關(guān)、分別與阻值為R的電阻和C=0.1F的電容器相連,虛線框內(nèi)存在方向垂直導(dǎo)軌平面向內(nèi)、大小為B的勻強(qiáng)磁場。圓環(huán)邊緣與Q端相連,轉(zhuǎn)軸與電刷良好接觸并通過與電容器左端相連。阻值為R、質(zhì)量為m=0.1kg、長為l導(dǎo)體棒ab通過勁度系數(shù)k=4N/m的絕緣輕質(zhì)彈簧靜止懸掛于緊靠導(dǎo)軌磁場上邊界的下方,始終與導(dǎo)軌接觸良好。開關(guān)和斷開,不計(jì)其它電阻和摩擦阻力。
(1)擲向2,求電容器所帶電荷量的大小q;
(2)擲向1,ab棒以v=0.5m/s的速度向上離開磁場,
①求此時(shí)電容器剩余的電荷量大小;
②ab棒返回磁場上邊界前斷開,接通,ab棒第一次向下運(yùn)動(dòng)至距磁場上邊界0.05m處時(shí)速度為0,求此過程中電阻R消耗的焦耳熱。(提示:以彈簧處于自然長度時(shí)為彈性勢能零勢能點(diǎn),當(dāng)伸長量為x時(shí),其彈性勢能為)
【名師解析】.:
(1)開關(guān)擲向2,電容器充電。
根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知: 1分
則電容器的電荷量為: 1分
聯(lián)立解得:q=0.4C 1分
(2)①電容器放電過程有: 2分
電容器所帶電荷量的大小 1分
②ab棒返回磁場時(shí)的速度,從返回剛進(jìn)入磁場到至距磁場上邊界h=0.05m處由能量守恒可得 1分
, 1分
1分
聯(lián)立解得: 1分
18. (2023河南鄭州四中第一次調(diào)研)如圖,一不可伸長的細(xì)繩的上端固定,下端系在邊長為的正方形金屬框的一個(gè)頂點(diǎn)上。金屬框的一條對(duì)角線水平,其下方有方向垂直于金屬框所在平面的勻強(qiáng)磁場。已知構(gòu)成金屬框的導(dǎo)線單位長度的阻值為;在到時(shí)間內(nèi),磁感應(yīng)強(qiáng)度大小隨時(shí)間t的變化關(guān)系為。求:
(1)時(shí)金屬框所受安培力的大?。?br />
(2)在到時(shí)間內(nèi)金屬框產(chǎn)生的焦耳熱。
【參考答案】(1);(2)
【名師解析】
(1)金屬框的總電阻為
金屬框中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢為
金屬框中的電流為
磁感應(yīng)強(qiáng)度為
金屬框處于磁場中的有效長度為
所以金屬框所受安培力大小為
(2)金屬框產(chǎn)生的焦耳熱為
19. (2023河南鄭州四中第一次調(diào)研) 如圖(a)所示,兩根不計(jì)電阻、間距為L的足夠長平行光滑金屬導(dǎo)軌,豎直固定在勻強(qiáng)磁場中,磁場方向垂直于導(dǎo)軌平面向里,磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B。導(dǎo)軌上端串聯(lián)非線性電子元件Z和阻值為R的電阻。元件Z的圖像如圖(b)所示,當(dāng)流過元件Z的電流大于或等于時(shí),電壓穩(wěn)定為Um。質(zhì)量為m、不計(jì)電阻的金屬棒可沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)中金屬棒始終水平且與導(dǎo)軌保持良好接觸。忽略空氣阻力及回路中的電流對(duì)原磁場的影響,重力加速度大小為g。為了方便計(jì)算,取,。以下計(jì)算結(jié)果只能選用m、g、B、L、R表示。
(1)閉合開關(guān)S。,由靜止釋放金屬棒,求金屬棒下落的最大速度v1;
(2)斷開開關(guān)S,由靜止釋放金屬棒,求金屬棒下落的最大速度v2;
(3)先閉合開關(guān)S,由靜止釋放金屬棒,金屬棒達(dá)到最大速度后,再斷開開關(guān)S。忽略回路中電流突變的時(shí)間,求S斷開瞬間金屬棒的加速度大小a。
【參考答案】(1);(2);(3)
【關(guān)鍵能力】[]本題考 查法拉第電磁感應(yīng)定律、閉合電路歐姆定律等知識(shí),意在考查考生綜合電磁學(xué)知識(shí)以及力學(xué)規(guī)律處理問題的能力。
[壓軸題透析] 3第(1)問通過對(duì)金屬棒的受力分析以及運(yùn)動(dòng)分析,求出當(dāng)金屬棒的加速度為零時(shí)的最大速度;第(2)問首先應(yīng)分析比較第(1)問中的電流與圖(b)中Z元件的電壓達(dá)到最大時(shí)的電流大小關(guān)系,然后通過定值電阻表示出回路中的最大電流,進(jìn)而求出金屬棒的最大速度;第(3)問的關(guān)鍵在于求出開關(guān)斷開瞬間回路中的電流,得出導(dǎo)體棒所受的安培力大小,再根據(jù)牛頓第二定律求出金屬棒的加速度。
【名師解析】
(1)閉合開關(guān)S,金屬棒下落的過程中受豎直向下的重力、豎直向上的安培力作用,當(dāng)重力與安培力大小相等時(shí),金屬棒的加速度為零,速度最大,則
由法拉第電磁感應(yīng)定律得
由歐姆定律得
解得
(2)由第(1)問得
由于
斷開開關(guān)S后,當(dāng)金屬棒的速度達(dá)到最大時(shí),元件Z兩端的電壓恒為
此時(shí)定值電阻兩端的電壓為
回路中電流為
又由歐姆定律得
解得
(3)開關(guān)S閉合,當(dāng)金屬棒的速度最大時(shí),金屬棒產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢為
斷開開關(guān)S的瞬間,元件Z兩端的電壓為
則定值電阻兩端的電壓為
電路中的電流為
金屬棒受到的安培力為
對(duì)金屬棒由牛頓第二定律得
解得
?
20. (2023浙江舟山質(zhì)檢)如圖所示,、是光滑平行軌道,間距為,左側(cè)傾斜部分為電阻不計(jì)的金屬軌道,水平部分軌道為絕緣材料制成,兩部分軌道在處平滑連接,左側(cè)傾斜軌道傾角為,軌道固定且水平部分足夠長。軌道頂端間接有阻值為的電阻,左側(cè)傾斜部分所在區(qū)域分布著垂直導(dǎo)軌平面向下、磁感應(yīng)強(qiáng)度的勻強(qiáng)磁場,水平軌道上放置一質(zhì)量的“”型金屬框,“”型金屬框三邊長均為L,每邊的電阻均為。金屬框右側(cè)區(qū)域內(nèi)存在寬度為L,磁感應(yīng)強(qiáng)度也為B勻強(qiáng)磁場?,F(xiàn)將一根質(zhì)量,長度為L,電阻的金屬棒從圖示位置靜止釋放,金屬棒到達(dá)傾斜軌道底端前已處于勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。金屬棒到達(dá)水平軌道后與“”型金屬框粘在一起形成閉合金屬框。則:
(1)金屬棒下滑過程中,a、b兩點(diǎn)哪點(diǎn)電勢高;
(2)求金屬棒勻速下滑的速度大??;
(3)金屬框剛進(jìn)入水平軌道上的磁場區(qū)域時(shí),兩端的電勢差;
(4)閉合金屬框能否穿過水平軌道上的磁場區(qū)域?若能,請(qǐng)計(jì)算金屬框穿過磁場區(qū)域后的速度大??;若不能,請(qǐng)計(jì)算邊與磁場區(qū)域左邊界的最大距高。
【參考答案】(1)b端;(2);(3);(4)能,
【名師解析】
(1)金屬棒下滑過程中切割磁感線,由右手定則可知,b端等效為電源正極,電勢較高。
(2)金屬棒勻速下滑時(shí),由平衡條件可得
其中
聯(lián)立解得
(3)金屬棒與框相結(jié)合后的速度為,據(jù)動(dòng)量守恒定律可得
解得
cd邊切割磁感線,產(chǎn)生感應(yīng)電流,等效為電源,其兩端電壓相當(dāng)于路端電壓,可得
(4)設(shè)線框穿過磁場區(qū)域時(shí)的速度為,據(jù)動(dòng)量定理可得
其中
聯(lián)立解得
故閉合金屬框能穿過水平軌道上的磁場區(qū)域,穿過磁場區(qū)域后的速度大小為。
21.(2023南京六校聯(lián)考)如圖所示,兩根足夠長的平行金屬導(dǎo)軌MN、PQ相距L=1m,上端連接一個(gè)阻值R=3Ω的電阻,導(dǎo)軌平面與水平面夾角θ=37°,長為L的金屬棒ab垂直于MN、PQ放置在導(dǎo)軌上,且始終與導(dǎo)軌接觸良好,整個(gè)裝置處在垂直于導(dǎo)軌平面向上的勻強(qiáng)磁場中.已知金屬棒ab的質(zhì)量m=0.5kg,阻值r=1Ω,與金屬導(dǎo)軌間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.5,磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B=1T,重力加速度g=10m/s2,導(dǎo)軌電阻不計(jì).金屬棒ab從靜止開始運(yùn)動(dòng),若金屬棒下滑距離為s=10m時(shí)速度已達(dá)到最大(sin37°=0.6,cos37°=0.8).求:
(1)金屬棒達(dá)到的最大速度;
(2)金屬棒由靜止開始下滑位移為s的過程中,電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱.
【名師解析】
13.(1).............................1分
............................2分
v=4m/s...................................1分
(2)
..............................1分
...................................1分
22.[多選](2020·呼倫貝爾一模)如圖所示,光滑且足夠長的金屬導(dǎo)軌MN、PQ平行地固定在同一水平面上,兩導(dǎo)軌間的距離L=0.2 m,兩導(dǎo)軌的左端之間連接的電阻R=0.4 Ω,導(dǎo)軌上停放一質(zhì)量m=0.1 kg的金屬桿ab,位于兩導(dǎo)軌之間的金屬桿的電阻r=0.1 Ω,導(dǎo)軌的電阻可忽略不計(jì)。整個(gè)裝置處于磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.5 T的勻強(qiáng)磁場中,磁場方向豎直向下。現(xiàn)用一水平外力F水平向右拉金屬桿,使之由靜止開始運(yùn)動(dòng),在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中金屬桿始終與導(dǎo)軌垂直并接觸良好,若理想電壓表的示數(shù)U隨時(shí)間t變化的關(guān)系如圖乙所示。則( )
A.t=5 s時(shí)通過金屬桿的感應(yīng)電流的大小為1 A,方向由a指向b
B.t=3 s時(shí)金屬桿的速率為3 m/s
C.t=5 s時(shí)外力F的瞬時(shí)功率為0.5 W
D.0~5 s內(nèi)通過R的電荷量為2.5 C
【參考答案】BD
【名師解析】由圖像可知,t=5 s時(shí),U=0.4 V,此時(shí)電路中的電流(即通過金屬桿的電流)為I== A=1 A,用右手定則判斷出,此時(shí)電流的方向由b指向a,故A錯(cuò)誤;由題圖可知,t=3 s時(shí),電壓表示數(shù)為U′=×3 V=0.24 V,則有U′=E,得E=U′=×0.24 V=0.3 V,由公式E=BLv得v== m/s=3 m/s,故B正確;金屬桿速度為v時(shí),電壓表示數(shù)應(yīng)為U=BLv,由圖像可知,U與t成正比,由于R、r、B及L均為不變量,所以v與t成正比,即金屬桿應(yīng)沿水平方向向右做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng),金屬桿運(yùn)動(dòng)的加速度為a== m/s2=1 m/s2,根據(jù)牛頓第二定律,在5 s末時(shí)對(duì)金屬桿有F-BIL=ma,得F=BIL+ma=(0.5×1×0.2+0.1×1)N=0.2 N,此時(shí)F的瞬時(shí)功率為P=Fv=Fat=0.2×1×5 W=1.0 W,故C錯(cuò)誤;0~5 s時(shí)間內(nèi)金屬桿移動(dòng)的位移為x=at2=×1×52 m=12.5 m,通過R的電荷量為:q=== C=2.5 C,故D正確。
23.(2020·成都模擬)有人做過這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn):將一錫塊和一個(gè)磁性很強(qiáng)的小永久磁鐵疊放在一起,放入一個(gè)淺平的塑料容器中。往塑料容器中倒入液態(tài)氮,降低溫度,使錫出現(xiàn)超導(dǎo)性。這時(shí)可以看到,小磁鐵竟然離開錫塊表面,飄然升起,與錫塊保持一定距離后,便懸空不動(dòng)了。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是:磁場中的超導(dǎo)體能將磁場完全排斥在超導(dǎo)體外,即超導(dǎo)體內(nèi)部沒有磁通量(邁斯納效應(yīng))。如果外界有一個(gè)磁場要通過超導(dǎo)體內(nèi)部,那么在磁場作用下,超導(dǎo)體表面就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)無損耗感應(yīng)電流。這個(gè)電流產(chǎn)生的磁場恰恰與外加磁場大小相等、方向相反,這就形成了一個(gè)斥力。當(dāng)磁鐵受到的向上的斥力大小剛好等于它的重力大小的時(shí)候,磁鐵就可以懸浮在空中。根據(jù)以上材料可知( )
A.超導(dǎo)體處在恒定的磁場中時(shí)它的表面不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流
B.超導(dǎo)體處在均勻變化的磁場中時(shí)它的表面將產(chǎn)生恒定的感應(yīng)電流
C.將磁鐵靠近超導(dǎo)體,超導(dǎo)體表面的感應(yīng)電流增大,超導(dǎo)體和磁鐵間的斥力就會(huì)增大
D.將懸空在超導(dǎo)體上面的磁鐵翻轉(zhuǎn)180°,超導(dǎo)體和磁鐵間的作用力將變成引力
【參考答案】C
【名師解析】 由題意可知,超導(dǎo)體處在磁場中,磁場要通過超導(dǎo)體內(nèi)部,超導(dǎo)體表面就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)無損耗感應(yīng)電流,故A錯(cuò)誤;超導(dǎo)體處在均勻變化的磁場中時(shí),超導(dǎo)體表面就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,因磁場發(fā)生變化,則在超導(dǎo)體表面產(chǎn)生的感應(yīng)電流也發(fā)生變化,故B錯(cuò)誤;將磁鐵靠近超導(dǎo)體,磁場要通過超導(dǎo)體的磁通量增大,超導(dǎo)體表面的感應(yīng)電流增大,電流產(chǎn)生的磁場增大,則超導(dǎo)體和磁鐵間的斥力就會(huì)增大,故C正確;超導(dǎo)體在外界磁場作用下,磁鐵和超導(dǎo)體之間相互排斥,則將懸空在超導(dǎo)體上面的磁鐵翻轉(zhuǎn)180°,超導(dǎo)體和磁鐵間的作用力仍為斥力,故D錯(cuò)誤。
24.[多選](2020·淄博模擬)如圖所示,在豎直向下的 y 軸兩側(cè)分布有垂直紙面向外和向里的磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度均隨位置坐標(biāo)按 B=B0+ky(k為正常數(shù))的規(guī)律變化。兩個(gè)完全相同的正方形線框甲和乙的上邊均與 y 軸垂直,甲的初始位置高于乙的初始位置,兩線框平面均與磁場垂直?,F(xiàn)同時(shí)分別給兩個(gè)線框一個(gè)豎直向下的初速度 v1和 v2,設(shè)磁場的范圍足夠大,當(dāng)線框完全在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí),不考慮兩線框的相互作用,下列說法正確的是( )
A.運(yùn)動(dòng)中兩線框所受磁場的作用力方向相反
B.若 v1=v2,則開始時(shí)甲所受磁場力等于乙所受磁場力
C.若 v1>v2,則開始時(shí)甲中的感應(yīng)電流一定大于乙中的感應(yīng)電流
D.若 v1<v2,則最終穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)甲的速度可能大于乙的速度
【參考答案】BC
【名師解析】 根據(jù)楞次定律,甲線框中產(chǎn)生順時(shí)針方向的電流,乙線框中產(chǎn)生逆時(shí)針方向的電流,因?yàn)榫€框下邊磁場比上邊的磁場強(qiáng),下邊所受的安培力大于上邊所受的安培力,則安培力的方向與下邊所受的安培力方向相同,根據(jù)左手定則,甲線框所受的安培力方向向上,乙線框所受的安培力方向向上,故A錯(cuò)誤。線框產(chǎn)生的電動(dòng)勢E=B2Lv-B1Lv=kL2v,若v1=v2,開始時(shí)兩線框產(chǎn)生的感應(yīng)電流大小相等。線框所受的安培力F=B2IL-B1IL=kIL2,知兩線框所受的安培力相等,故B正確。線框產(chǎn)生的電動(dòng)勢E=B2Lv-B1Lv=kL2v,與速度有關(guān),若v1>v2,則開始時(shí)甲線框產(chǎn)生的電動(dòng)勢大于乙線框產(chǎn)生的電動(dòng)勢,則開始時(shí)甲線框的感應(yīng)電流一定大于乙線框的感應(yīng)電流,故C正確。線框達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),重力與安培力平衡,有mg=kIL2,I==,所以mg=,v=,知穩(wěn)定時(shí),兩線框的速度相等,故D錯(cuò)誤。
25.[多選](2020·日照模擬)如圖所示,豎直放置的兩根足夠長的光滑金屬導(dǎo)軌相距為L,導(dǎo)軌的兩端分別與電源(串有一滑動(dòng)變阻器R)、定值電阻R0、電容器(電容為C,原來不帶電)和開關(guān)S相連。整個(gè)空間充滿了磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B、方向垂直于導(dǎo)軌平面向外的勻強(qiáng)磁場。一質(zhì)量為m、電阻不計(jì)的金屬棒ab橫跨在導(dǎo)軌上。已知電源電動(dòng)勢為E、內(nèi)阻為r,不計(jì)導(dǎo)軌的電阻。當(dāng)S接1,滑動(dòng)變阻器R接入電路一定阻值時(shí),金屬棒ab在磁場中恰好保持靜止。當(dāng)S接2后,金屬棒ab從靜止開始下滑,下滑距離h時(shí)達(dá)到穩(wěn)定速度。重力加速度為g,則下列說法正確的是( )
A.當(dāng)S接1時(shí),滑動(dòng)變阻器接入電路的阻值R=-r
B.當(dāng)S接2時(shí),金屬棒ab從靜止開始到剛好達(dá)到穩(wěn)定速度所經(jīng)歷的時(shí)間為t=
C.若將ab棒由靜止釋放的同時(shí),將S接到3,則電容器積累的電荷量隨金屬棒速度v的變化關(guān)系為Q=CBLv
D.若將ab棒由靜止釋放的同時(shí),將S接到3,則金屬棒ab將做勻加速直線運(yùn)動(dòng),加速度大小a=
【參考答案】ACD
【名師解析】 當(dāng)S接到1位置時(shí),有I=,由平衡條件可得 mg=BIL,則I=,聯(lián)立以上各式解得R=-r,故A正確;當(dāng)S接到2位置速度恒定時(shí),有mg=BIL=,解得v=,金屬棒ab從靜止開始下滑,下滑距離h時(shí)達(dá)到穩(wěn)定速度,根據(jù)動(dòng)量定理可得mgt-BLt=mv,即mgt-·t=mv,其中t=h,解得t=,故B錯(cuò)誤;若將ab棒由靜止釋放的同時(shí),將S接到3,則電容器積累的電荷量隨金屬棒速度v的變化關(guān)系為Q=CU=CBLv,根據(jù)動(dòng)量定理可得mgΔt-BLΔt=mΔv,即mgΔt-BL·ΔQ=mΔv,將ΔQ=CBLΔv代入解得mgΔt-CB2L2Δv=mΔv,所以a== ,故C、D正確。
26.(2020·北京朝陽區(qū)六校聯(lián)考)電源是通過非靜電力做功把其他形式的能轉(zhuǎn)化為電勢能的裝置,在不同的電源中,非靜電力做功的本領(lǐng)也不相同,物理學(xué)中用電動(dòng)勢E來表明電源的這種特性。在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中,感應(yīng)電動(dòng)勢分為動(dòng)生電動(dòng)勢和感生電動(dòng)勢兩種。產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢的那部分導(dǎo)體就相當(dāng)于“電源”,在“電源”內(nèi)部非靜電力做功將其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能。
(1)如圖1所示,固定于水平面上的U形金屬框架處于豎直向下的勻強(qiáng)磁場中,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,金屬框兩平行導(dǎo)軌間距離為l。金屬棒MN在外力的作用下,沿框架以速度v向右做勻速直線運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)過程中金屬棒始終垂直于兩平行導(dǎo)軌并接觸良好。已知電子的電荷量為e。請(qǐng)根據(jù)電動(dòng)勢定義,推導(dǎo)金屬棒MN切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢E1;
(2)英國物理學(xué)家麥克斯韋認(rèn)為,變化的磁場會(huì)在空間激發(fā)感生電場,感生電場與靜電場不同,如圖2所示,感生電場的電場線是一系列同心圓,單個(gè)圓上的電場強(qiáng)度大小處處相等,我們把這樣的電場稱為渦旋電場。在渦旋電場中電場力做功與路徑有關(guān),正因?yàn)槿绱?,它是一種非靜電力。如圖3所示在某均勻變化的磁場中,將一個(gè)半徑為x的金屬圓環(huán)置于半徑為r的圓形磁場區(qū)域,使金屬圓環(huán)與磁場邊界是相同圓心的同心圓,從圓環(huán)的兩端點(diǎn)a、b引出兩根導(dǎo)線,與阻值為R的電阻和內(nèi)阻不計(jì)的電流表串接起來,金屬圓環(huán)的電阻為,圓環(huán)兩端點(diǎn)a、b間的距離可忽略不計(jì),除金屬圓環(huán)外其他部分均在磁場外。已知電子的電荷量為e,若磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間t的變化關(guān)系為B=B0+kt(k>0且為常量)。
①若x<r,求金屬圓環(huán)上a、b兩點(diǎn)的電勢差Uab;
②若x與r大小關(guān)系未知,推導(dǎo)金屬圓環(huán)中自由電子受到的感生電場力F2與x的函數(shù)關(guān)系式,并在圖4中定性畫出F2-x圖像。
【名師解析】:(1)金屬棒MN向右切割磁感線時(shí),棒中的電子受到沿棒向下的洛倫茲力,是這個(gè)力充當(dāng)了非靜電力。非靜電力的大小F1=Bev
從N到M非靜電力做功為W非=Bevl
由電動(dòng)勢定義可得E1==Blv。
(2)①由B=B0+kt可得=k
根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律E2===kS
因?yàn)閤<r,所以S=πx2
根據(jù)閉合電路歐姆定律得I=
Uab=IR
聯(lián)立解得Uab=。
②在很短的時(shí)間內(nèi)電子的位移為Δs,非靜電力對(duì)電子做的功為F2Δs
電子沿著金屬圓環(huán)運(yùn)動(dòng)一周,非靜電力做的功W非=∑F2Δs=2πF2x
根據(jù)電動(dòng)勢定義E2=
當(dāng)x<r時(shí),聯(lián)立解得F2=
當(dāng)x>r時(shí),磁通量有效面積為S=πr2
聯(lián)立解得F2=
由自由電子受到的感生電場力F2與x的函數(shù)關(guān)系式,可得如圖所示F2-x圖像。
答案:(1)見解析 (2)①?、贔2= 圖像見解析
27 如圖所示,在豎直向下的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中,兩根足夠長的平行光滑金屬軌道MN、PQ固定在水平面內(nèi),相距為L。一質(zhì)量為m的導(dǎo)體棒cd垂直于MN、PQ放在軌道上,與軌道接觸良好。軌道和導(dǎo)體棒的電阻均不計(jì)。
(1)如圖1所示,若軌道左端M、P間接一阻值為R的電阻,導(dǎo)體棒在拉力F的作用下以速度v沿軌道做勻速運(yùn)動(dòng)。請(qǐng)通過公式推導(dǎo)證明:在任意一段時(shí)間Δt內(nèi),拉力F所做的功與電路獲得的電能相等。
(2)如圖2所示,若軌道左端接一電動(dòng)勢為E、內(nèi)阻為r的電源和一阻值未知的電阻,閉合開關(guān)S,導(dǎo)體棒從靜止開始運(yùn)動(dòng),經(jīng)過一段時(shí)間后,導(dǎo)體棒達(dá)到最大速度vm,求此時(shí)電源的輸出功率。
(3)如圖3所示,若軌道左端接一電容器,電容器的電容為C,導(dǎo)體棒在水平拉力的作用下從靜止開始向右運(yùn)動(dòng)。電容器兩極板間電勢差隨時(shí)間變化的圖像如圖4所示,已知t1時(shí)刻電容器兩極板間的電勢差為U1。求導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)過程中受到的水平拉力大小。
[解題指導(dǎo)]
(1)導(dǎo)體棒勻速運(yùn)動(dòng)→受力平衡→求出拉力做的功。導(dǎo)體棒切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢→產(chǎn)生感應(yīng)電流→求出回路的電能。
(2)閉合開關(guān)S→導(dǎo)體棒變加速運(yùn)動(dòng)→產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢不斷增大→達(dá)到電源的路端電壓→棒中沒有電流→由此可求出電源與電阻所在回路的電流→電源的輸出功率。
(3)導(dǎo)體棒在外力作用下運(yùn)動(dòng)→回路中形成充電電流→導(dǎo)體棒還受安培力的作用→由牛頓第二定律列式分析。
【名師解析】 (1)導(dǎo)體棒切割磁感線,E=BLv
導(dǎo)體棒做勻速運(yùn)動(dòng),F(xiàn)=F安
又F安=BIL,其中I=
在任意一段時(shí)間Δt內(nèi),拉力F所做的功
W=FvΔt=F安vΔt=Δt
電路獲得的電能ΔE=EIΔt=Δt
可見,在任意一段時(shí)間Δt內(nèi),拉力F所做的功與電路獲得的電能相等。
(2)導(dǎo)體棒達(dá)到最大速度vm時(shí),棒中沒有電流,電源的路端電壓U=BLvm
電源與電阻所在回路的電流I=
電源的輸出功率P=UI=。
(3)感應(yīng)電動(dòng)勢與電容器兩極板間的電勢差相等,
BLv=U
由電容器的U-t圖可知U=t
導(dǎo)體棒的速度隨時(shí)間變化的關(guān)系為v=t
可知導(dǎo)體棒做勻加速直線運(yùn)動(dòng),其加速度a=
由C=和I=,得I==
由牛頓第二定律有F-BIL=ma
可得F=+。
[答案] 見解析
[遷移] 若上例第(3)問變成:圖3中導(dǎo)體棒在恒定水平外力F作用下,從靜止開始運(yùn)動(dòng),導(dǎo)軌與棒間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ,寫出導(dǎo)體棒的速度大小隨時(shí)間變化的關(guān)系式。
解析:導(dǎo)體棒由靜止開始做加速運(yùn)動(dòng),電容器所帶電荷量不斷增加,電路中將形成充電電流,設(shè)某時(shí)刻棒的速度為v,則感應(yīng)電動(dòng)勢為E=BLv
電容器所帶電荷量為Q=CE=CBLv
再經(jīng)過很短一段時(shí)間Δt,電容器兩端電壓的增量和電荷量的增量分別為ΔU=ΔE=BLΔv,ΔQ=CΔU=CBLΔv
流過導(dǎo)體棒的電流I===CBLa
導(dǎo)體棒受到的安培力f1=BIL=CB2L2a
導(dǎo)體棒所受到的摩擦力f2=μmg
由牛頓第二定律得F-f1-f2=ma
聯(lián)立以上各式解得a=
顯然導(dǎo)體棒做勻加速直線運(yùn)動(dòng),所以導(dǎo)體棒的速度大小隨時(shí)間變化的關(guān)系式為
v=t。
答案:v=t
這是一份新高考物理二輪復(fù)習(xí)精選練習(xí)專題21彈簧模型(含解析),共22頁。試卷主要包含了彈簧模型等內(nèi)容,歡迎下載使用。
這是一份新高考物理二輪復(fù)習(xí)精選練習(xí)專題17創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)(含解析),共31頁。試卷主要包含了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),近五年高考物理實(shí)驗(yàn)題的特點(diǎn),指向深度探究的實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)的必要性,指向深度探究的實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)策略等內(nèi)容,歡迎下載使用。
這是一份新高考物理二輪復(fù)習(xí)精選練習(xí)專題14原子物理(含解析),共30頁。試卷主要包含了原子物理,光電效應(yīng),玻爾理論,原子核及其衰變等內(nèi)容,歡迎下載使用。
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