高考物理法拉第电磁感应定律-经典压轴题及答案

高考物理法拉第电磁感应定律-经典压轴题及答案一、法拉第电磁感应定律1．如图所示，足够长的光滑平行金属导轨MN、PQ竖直放置，其宽度L＝1m，一匀强磁场垂直穿过导轨平面，导轨的上端M与P之间连接阻值为R＝0.40Ω的电阻，质量为m＝0.01kg、电阻为r＝0.30Ω的金属棒ab紧贴在导轨上．现使金属棒ab由静止开始下滑，下滑过程中ab始终保持水平，且与导轨接触良好，其下滑距离x与时间t的关系如图所示，图象中的OA段为曲线，AB段为直线，导轨电阻不计，g＝10m/s2(忽略ab棒运动过程中对原磁场的影响)，求：(1)ab棒1.5s-2.1s的速度大小及磁感应强度B的大小；(2)金属棒ab在开始运动的1.5s内，通过电阻R的电荷量；(3)金属棒ab在开始运动的1.5s内，电阻R上产生的热量。【答案】(1)v＝7m/sB＝0.1T(2)q＝0.67C(3)0.26J【解析】【详解】(1)金属棒在AB段匀速运动，由题中图象得：v＝xt＝7m/s根据欧姆定律可得：I＝BLvrR根据平衡条件有mg＝BIL解得：B＝0.1T(2)根据电量公式：q＝IΔt根据欧姆定律可得：I＝()Rrt磁通量变化量ΔΦ＝StB解得：q＝0.67C(3)根据能量守恒有：Q＝mgx－12mv2解得：Q＝0.455J所以QR＝RrRQ＝0.26J答：(1)v＝7m/sB＝0.1T(2)q＝0.67C(3)0.26J2．如图所示，两根相距为L的光滑平行金属导轨CD、EF固定在水平面内，并处在竖直向下的匀强磁场中，导轨足够长且电阻不计．在导轨的左端接入阻值为R的定值电阻，将质量为m、电阻可忽略不计的金属棒MN垂直放置在导轨上，可以认为MN棒的长度与导轨宽度相等，且金属棒运动过程中始终与导轨垂直并接触良好，不计空气阻力．金属棒MN以恒定速度v向右运动过程中，假设磁感应强度大小为B且保持不变，为了方便，可认为导体棒中的自由电荷为正电荷．（1）请根据法拉第电磁感应定律，推导金属棒MN中的感应电动势E；（2）在上述情景中，金属棒MN相当于一个电源，这时的非静电力与棒中自由电荷所受洛伦兹力有关．请根据电动势的定义，推导金属棒MN中的感应电动势E．（3）请在图中画出自由电荷所受洛伦兹力示意图．我们知道，洛伦兹力对运动电荷不做功．那么，金属棒MN中的自由电荷所受洛伦兹力是如何在能量转化过程中起到作用的呢？请结合图中自由电荷受洛伦兹力情况，通过计算分析说明．【答案】（1）EBLv；（2）vEBL（3）见解析【解析】【分析】(1)先求出金属棒MN向右滑行的位移,得到回路磁通量的变化量,再由法拉第电磁感应定律求得E的表达式;(2)棒向右运动时,电子具有向右的分速度,受到沿棒向下的洛伦兹力，1vfeB,棒中电子在洛伦兹力的作用下,电子从M移动到N的过程中,非静电力做功vWeBl,根据电动势定义WEq计算得出E.（3）可以从微观的角度求出水平和竖直方向上的洛伦兹力做功情况，在比较整个过程中做功的变化状况．【详解】（1）如图所示，在一小段时间t内，金属棒MN的位移xvt这个过程中线框的面积的变化量SLxLvt穿过闭合电路的磁通量的变化量BSBLvt根据法拉第电磁感应定律Et解得EBLv（2）如图所示，棒向右运动时，正电荷具有向右的分速度，受到沿棒向上的洛伦兹力1vfeB，f1即非静电力在f的作用下，电子从N移动到M的过程中，非静电力做功vWeBL根据电动势定义WEq解得vEBL（3）自由电荷受洛伦兹力如图所示．设自由电荷的电荷量为q，沿导体棒定向移动的速率为u．如图所示，沿棒方向的洛伦兹力1fqBv，做正功11ΔΔWfutqButv垂直棒方向的洛伦兹力2fquB，做负功22ΔΔWfvtquBvt所以12+=0WW，即导体棒中一个自由电荷所受的洛伦兹力做功为零．1f做正功，将正电荷从N端搬运到M端，1f相当于电源中的非静电力，宏观上表现为“电动势”，使电源的电能增加；2f做负功，宏观上表现为安培力做负功，使机械能减少．大量自由电荷所受洛伦兹力做功的宏观表现是将机械能转化为等量的电能，在此过程中洛伦兹力通过两个分力做功起到“传递”能量的作用．【点睛】本题较难，要从电动势定义的角度上去求电动势的大小，并学会从微观的角度分析带电粒子的受力及做功情况．3．如图(a)所示，一个电阻值为R、匝数为n的圆形金属线圈与阻值为2R的电阻R1连接成闭合回路，线圈的半径为r1,在线圈中半径为r2的圆形区域存在垂直于线圈平面向里的匀强磁场，磁感应强度B随时间t变化的关系图线如图(b)所示，图线与横、纵轴的截距分别为t0和B0，导线的电阻不计．求(1)0~t0时间内圆形金属线圈产生的感应电动势的大小E；(2)0~t1时间内通过电阻R1的电荷量q．【答案】（1）2020nBrEt（2）201203nBtrqRt【解析】【详解】（1）由法拉第电磁感应定律Ent有2020nBrBEnStt①（2）由题意可知总电阻R总=R+2R=3R②由闭合电路的欧姆定律有电阻R1中的电流EIR总③0~t1时间内通过电阻R1的电荷量1qIt④由①②③④式得201203nBtrqRt4．如图所示，两平行光滑的金属导轨MN、PQ固定在水平面上，相距为L，处于竖直向下的磁场中，整个磁场由n个宽度皆为x0的条形匀强磁场区域1、2、3、…n组成，从左向右依次排列，磁感应强度的大小分别为B、2B、3B、…nB，两导轨左端MP间接入电阻R，一质量为m的金属棒ab垂直于MN、PQ放在水平导轨上，与导轨电接触良好，不计导轨和金属棒的电阻。（1）对导体棒ab施加水平向右的力，使其从图示位置开始运动并穿过n个磁场区，求导体棒穿越磁场区1的过程中，通过电阻R的电荷量q。（2）对导体棒ab施加水平向右的恒力F0，让它从磁场1左侧边界处开始运动，当向右运动距离为时做匀速运动，求棒通过磁场区1所用的时间t。（3）对导体棒ab施加水平向右的恒定拉力F1，让它从距离磁场区1左侧x=x0的位置由静止开始做匀加速运动，当棒ab进入磁场区1时开始做匀速运动，此后在不同的磁场区施加不同的水平拉力，使棒ab保持该匀速运动穿过整个磁场区，求棒ab通过第i磁场区时的水平拉力Fi和棒ab通过整个磁场区过程中回路产生的电热Q。【答案】⑴；⑵；⑶【解析】试题分析:⑴电路中产生的感应电动势。通过电阻的电荷量。导体棒穿过1区过程。解得（2）棒匀速运动的速度为v，则设棒在前x0/2距离运动的时间为t1，则由动量定律：F0t1-BqL=mv；解得：设棒在后x0/2匀速运动的时间为t2，则所以棒通过区域1所用的总时间：（3）进入1区时拉力为，速度，则有。解得；。进入i区时的拉力。导体棒以后通过每区都以速度做匀速运动，由功能关系有解得。考点：动能定理的应用；导体切割磁感线时的感应电动势；电磁感应中的能量转化5．如图为电磁驱动与阻尼模型，在水平面上有两根足够长的平行轨道PQ和MN，左端接有阻值为R的定值电阻，其间有垂直轨道平面的磁感应强度为B的匀强磁场，两轨道间距及磁场宽度均为L．质量为m的金属棒ab静置于导轨上，当磁场沿轨道向右运动的速度为v时，棒ab恰好滑动．棒运动过程始终在磁场范围内，并与轨道垂直且接触良好，轨道和棒电阻均不计，最大静摩擦力等于滑动摩擦力．（1）判断棒ab刚要滑动时棒中的感应电流方向，并求此时棒所受的摩擦力f大小；（2）若磁场不动，将棒ab以水平初速度2v运动，经过时间22mRtBL停止运动，求棒ab运动位移x及回路中产生的焦耳热Q；（3）若t=0时棒ab静止，而磁场从静止开始以加速度a做匀加速运动，下列关于棒ab运动的速度时间图像哪个可能是正确的？请分析说明棒各阶段的运动情况．【答案】(1)22BLvfR；(2)22 mvRxBL2Qmv；(3)丙图正确【解析】【详解】（1）根据右手定则，感应电流方向a至b依题意得，棒刚要运动时，受摩擦力等于安培力：f=FA又有FA=BI1L，1BLvIR联立解得：22BLvfR（2）设棒的平均速度为v，根据动量定理可得：02Ftftmv又有FBIL， BLvIR，xvt联立得：22mvRxBL根据动能定理有：21022AfxWmv根据功能关系有：Q=WA得：Q=mv2（3）丙图正确当磁场速度小于v时，棒ab静止不动；当磁场速度大于v时，E=BLΔv，棒ab的加速度从零开始增加，a棒a时，Δv逐渐增大，电流逐渐增大，FA逐渐增大，棒做加速度逐渐增大的加速运动；当a棒=a时，Δv保持不变，电流不变，FA不变，棒ab的加速度保持不变，开始做匀加速运动．6．如图所示，ACD、EFG为两根相距L=0.5m的足够长的金属直角导轨，它们被竖直固定在绝缘水平面上，CDGF面与水平面夹角θ=300．两导轨所在空间存在垂直于CDGF平面向上的匀强磁场，磁感应强度大小为B`=1T．两根长度也均为L=0.5m的金属细杆ab、cd与导轨垂直接触形成闭合回路，ab杆的质量m1未知，cd杆的质量m2=0.1kg，两杆与导轨之间的动摩擦因数均为μ=36，两金属细杆的电阻均为R=0.5Ω，导轨电阻不计．当ab以速度v1沿导轨向下匀速运动时，cd杆正好也向下匀速运动，重力加速度g取10m/s2．(1)金属杆cd中电流的方向和大小(2)金属杆ab匀速运动的速度v1和质量m1【答案】I=5A电流方向为由d流向c;v1=10m/sm1=1kg【解析】【详解】（1）由右手定则可知cd中电流方向为由d流向c对cd杆由平衡条件可得：0022安sin60（cos60)mgmgF安FBLI联立可得：I=5A(2)对ab:由12BLvIR得1 10m/sv分析ab受力可得：0011sin30cos30mgBLImg解得：m1=1kg7．如图甲所示，光滑且足够长的平行金属导轨MN和PQ固定在同一水平面上，两导轨间距L=0.2m，电阻R=0.4Ω，导轨上停放一质量m=0.1kg、电阻r=0.1Ω的金属杆，导轨电阻忽略不计，整个装置处在磁感应强度B=0.5T的匀强磁场中，磁场的方向竖直向下，现用一外力F沿水平方向拉杆，使之由静止开始运动，若理想电压表示数U随时间t变化关系如图乙所示。求：(1)金属杆在5s末的运动速率(2)第4s末时外力F的功率【答案】(1)2.5m/sv(2)0.18WP【解析】(1)由题意，电压表的示数为RUBLvRr5s末电压表的示数0.2VU，所以代入数据可得2.5m/sv(2)由RUBLvRr及U-t图像可知,U随时间均匀变化,导体棒在力F作用下匀加速运动1RrvUatRBLt代入数据可得20.5m/sa在4s末，金属杆的切割速度为12m/sRrvURBL此时拉力F为22BLvFmaRr所以4s末拉力F的功率为0.18WPFv【点睛】本题是电磁感应与电路、力学知识的综合，由电路的串联关系先求出电动势，再求出速度；由加速度的定义，求出加速度；根据瞬时功率的表达式，求出第5秒末外力F的功率．8．如图所示，质量为2m的U形线框ABCD下边长度为L，电阻为R，其它部分电阻不计，其内侧有质量为m，电阻为R的导体棒PQ，PQ与线框相接触良好，可在线框内上下滑动．整个装置竖直放置，其下方有垂直纸面的匀强磁场，磁感应强度为B．将整个装置从静止释放，在下落过程线框底边始终水平．当线框底边进入磁场时恰好做匀速运动，此时导体棒PQ与线框间的滑动摩擦力为．经过一段时间，导体棒PQ恰好到达磁场上边界，但未进入磁场，PQ运动的距离是线框在磁场中运动距离的两倍．不计空气阻力，重力加速度为g．求：（1）线框刚进入磁场时，BC两端的电势差；（2）导体棒PQ到达磁场上边界时速度大小；（3）导体棒PQ到达磁场上边界前的过程线框中产生的焦耳热．【答案】（1）52mgRBL（2）2215mgRBL（3）32244125mgRBL【解析】试题分析