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专题强化二十三 电磁感应中的电路及图像问题
目标要求 1.掌握电磁感应中电路问题的求解方法.2.会计算电磁感应电路问题中电压、电
流、电荷量、热量等物理量.3.能够通过电磁感应图像,读取相关信息,应用物理规律求解问
题.
题型一 电磁感应中的电路问题
1.电磁感应中的电源
(1)做切割磁感线运动的导体或磁通量发生变化的回路相当于电源.
电动势:E=Blv或E=n,这部分电路的阻值为电源内阻.
(2)用右手定则或楞次定律与安培定则结合判断,感应电流流出的一端为电源正极.
2.分析电磁感应电路问题的基本思路
3.电磁感应中电路知识的关系图
考向1 感生电动势的电路问题
例1 如图所示,单匝正方形线圈A边长为0.2 m,线圈平面与匀强磁场垂直,且一半处在
磁场中,磁感应强度随时间变化的规律为 B=(0.8-0.2t) T.开始时开关S未闭合,R =4
1
Ω,R=6 Ω,C=20 μF,线圈及导线电阻不计.闭合开关S,待电路中的电流稳定后.求:
2
(1)回路中感应电动势的大小;(2)电容器所带的电荷量.
答案 (1)4×10-3 V (2)4.8×10-8 C
解析 (1)由法拉第电磁感应定律有E=S,S=L2,代入数据得E=4×10-3 V
(2)由闭合电路的欧姆定律得I=,由部分电路的欧姆定律得U=IR ,电容器所带电荷量为Q
2
=CU=4.8×10-8 C.
考向2 动生电动势的电路问题
例2 (多选)如图所示,光滑的金属框CDEF水平放置,宽为L,在E、F间连接一阻值为
R的定值电阻,在C、D间连接一滑动变阻器R(0≤R≤2R).框内存在着竖直向下的匀强磁
1 1
场.一长为L、电阻为R的导体棒AB在外力作用下以速度v匀速向右运动.金属框电阻不
计,导体棒与金属框接触良好且始终垂直,下列说法正确的是( )
A.ABFE回路的电流方向为逆时针,ABCD回路的电流方向为顺时针
B.左右两个闭合区域的磁通量都在变化且变化率相同,故电路中的感应电动势大小为
2BLv
C.当滑动变阻器接入电路中的阻值R=R时,导体棒两端的电压为BLv
1
D.当滑动变阻器接入电路中的阻值R=时,滑动变阻器的电功率为
1
答案 AD
解析 根据楞次定律可知,ABFE回路电流方向为逆时针,ABCD回路电流方向为顺时针,
故A正确;根据法拉第电磁感应定律可知,感应电动势E=BLv,故B错误;当R =R时,
1
外电路总电阻R =,因此导体棒两端的电压即路端电压应等于BLv,故C错误;该电路电
外
动势E=BLv,电源内阻为R,当滑动变阻器接入电路中的阻值R=时,干路电流为I=,滑
1
动变阻器所在支路电流为I,容易求得滑动变阻器电功率为,故D正确.
例3 (多选)一种带有闪烁灯的自行车后轮结构如图所示,车轮与轮轴之间均匀地连接4根
金属条,每根金属条中间都串接一个小灯,每个小灯阻值恒为R=0.3 Ω,金属条与车轮金
属边框构成闭合回路,车轮半径r=0.4 m,轮轴半径可以忽略.车架上固定一个强磁铁,可
形成圆心角θ=60°的扇形匀强磁场区域,磁感应强度B=2.0 T,方向如图所示,若自行车正
常前进时,后轮顺时针转动的角速度恒为ω=10 rad/s,不计其他电阻和车轮厚度,下列说
法正确的是( )A.金属条ab进入磁场时,a端电势高于b端电势
B.金属条ab进入磁场时,ab间的电压为0.4 V
C.运动过程中流经灯泡的电流方向一直不变
D.自行车正常前进时,4个小灯总功率的平均值为 W
答案 ABD
解析 当金属条ab进入磁场时,金属条ab相当于电源,由右手定则可知,电流从b流向
a,故a端电势高于b端电势,故A正确;E=Br2ω=1.6 V,由等效电路图(如图)可知R =
总
+R=R,U =·=0.4 V,I==4 A,故B正确;设车轮运动一周的时间为T,则每根金属条
ab
充当电源的时间为t=T=,则车轮运动一周电路中有电源的时间为t′=4t=T,可知一个周
期内,4个小灯总功率的平均值为P=EI= W,则自行车正常前进时,4个小灯总功率的平
均值为 W,故D正确;当金属条在磁场中时,该金属条中流经灯泡的电流方向为从车轮边
框流向轮轴,当该金属条在磁场外时,电流方向由轮轴流向车轮边框,故C错误.
题型二 电磁感应中电荷量的计算
计算电荷量的导出公式:q=n
在电磁感应现象中,只要穿过闭合回路的磁通量发生变化,闭合回路中就会产生感应电流,
设在时间Δt内通过导体横截面的电荷量为q,则根据电流定义式=及法拉第电磁感应定律
=n,得q=Δt=Δt=Δt=,即q=n.
例4 在竖直向上的匀强磁场中,水平放置一个不变形的单匝金属圆线圈,线圈所围的面
积为0.1 m2,线圈电阻为1 Ω.规定线圈中感应电流I的正方向从上往下看是顺时针方向,如
图甲所示.磁场的磁感应强度B随时间t的变化规律如图乙所示.以下说法正确的是( )
A.在0~2 s时间内,I的最大值为0.02 AB.在3~5 s时间内,I的大小越来越小
C.前2 s内,通过线圈某横截面的总电荷量为0.01 C
D.第3 s内,线圈的发热功率最大
答案 C
解析 0~2 s时间内,t=0时刻磁感应强度变化率最大,感应电流最大,I===0.01 A,A
错误;3~5 s时间内电流大小不变,B错误;前2 s内通过线圈的电荷量q===0.01 C,C
正确;第3 s内,B没有变化,线圈中没有感应电流产生,则线圈的发热功率最小,D错误.
例5 (2018·全国卷Ⅰ·17)如图,导体轨道OPQS固定,其中PQS是半圆弧,Q为半圆弧的
中点,O为圆心.轨道的电阻忽略不计.OM是有一定电阻、可绕O转动的金属杆,M端位
于PQS上,OM与轨道接触良好.空间存在与半圆所在平面垂直的匀强磁场,磁感应强度的
大小为B.现使OM从OQ位置以恒定的角速度逆时针转到OS位置并固定(过程Ⅰ);再使磁
感应强度的大小以一定的变化率从B增加到B′(过程Ⅱ).在过程Ⅰ、Ⅱ中,流过OM的电
荷量相等,则等于( )
A. B. C. D.2
答案 B
解析 在过程Ⅰ中,根据法拉第电磁感应定律,有
E==,根据闭合电路的欧姆定律,有I=,且q=IΔt
1 1 1 1 1
在过程Ⅱ中,有E==
2
I=,q=IΔt
2 2 2 2
又q=q,即=
1 2
所以=,故选B.
题型三 电磁感应中的图像问题
1.解题关键
弄清初始条件、正负方向的对应变化范围、所研究物理量的函数表达式、进出磁场的转折点
等是解决此类问题的关键.
2.解题步骤
(1)明确图像的种类,即是B-t图还是Φ-t图,或者E-t图、I-t图等;对切割磁感线产生
感应电动势和感应电流的情况,还常涉及E-x图像和i-x图像;
(2)分析电磁感应的具体过程;
(3)用右手定则或楞次定律确定方向的对应关系;(4)结合法拉第电磁感应定律、闭合电路的欧姆定律、牛顿运动定律等知识写出相应的函数
关系式;
(5)根据函数关系式,进行数学分析,如分析斜率的变化、截距等;
(6)画图像或判断图像.
3.常用方法
(1)排除法:定性地分析电磁感应过程中物理量的正负,增大还是减小,以及变化快慢,来
排除错误选项.
(2)函数法:写出两个物理量之间的函数关系,然后由函数关系对图像进行分析和判断.
考向1 感生问题的图像
例6 (多选)(2023·江西省宜春实验中学质检)如图甲所示,正方形线圈abcd内有垂直于线
圈的匀强磁场,已知线圈匝数n=10,边长ab=1 m,线圈总电阻r=1 Ω,线圈内磁感应强
度随时间的变化情况如图乙所示.设图示的磁场方向与感应电流方向为正方向,则下列有关
线圈的电动势e、感应电流i、焦耳热Q以及ab边的安培力F(取向下为正方向)随时间t的变
化图像正确的是( )
答案 CD
解析 0~1 s内产生的感应电动势为e ==2 V,方向为逆时针,同理1~5 s内产生的感应
1
电动势为e =1 V,方向为顺时针,A错误;0~1 s内的感应电流大小为i ==2 A,方向为
2 1
逆时针(负值),同理1~5 s内的感应电流大小为i =1 A,方向为顺时针(正值),B错误;ab
2
边受到的安培力大小为F=nBiL,可知0~1 s内0≤F≤4 N,方向向下,1~3 s内0≤F≤2
N,方向向上,3~5 s内0≤F≤2 N,方向向下,C正确;线圈产生的焦耳热为Q=eit,0~1
s内产生的热量为4 J,1~5 s内产生的热量为4 J,D正确.考向2 动生问题的图像
例7 如图所示,将一均匀导线围成一圆心角为90°的扇形导线框OMN,圆弧MN的圆心
为O点,将O点置于直角坐标系的原点,其中第二和第四象限存在垂直纸面向里的匀强磁
场,其磁感应强度大小为B,第三象限存在垂直纸面向外的匀强磁场,磁感应强度大小为
2B.t=0时刻,让导线框从图示位置开始以O点为圆心沿逆时针方向做匀速圆周运动,规定
电流方向ONM为正,在下面四幅图中能够正确表示电流i与时间t关系的是( )
答案 C
解析 在0~t 时间内,线框沿逆时针方向从题图所示位置开始(t=0)转过90°的过程中,产
0
生的感应电动势为E =BωR2,由闭合电路的欧姆定律得,回路中的电流为I ==,根据楞
1 1
次定律判断可知,线框中感应电流方向为逆时针方向(沿ONM方向).在t ~2t 时间内,线
0 0
框进入第三象限的过程中,回路中的电流方向为顺时针方向(沿OMN方向),回路中产生的
感应电动势为E=Bω·R2+·2BωR2=BωR2=3E,感应电流为I=3I.在2t~3t 时间内,线框
2 1 2 1 0 0
进入第四象限的过程中,回路中的电流方向为逆时针方向(沿ONM方向),回路中产生的感
应电动势为E=Bω·R2+·2Bω·R2=BωR2=3E,感应电流为I=3I,在3t~4t 时间内,线框
3 1 3 1 0 0
出第四象限的过程中,回路中的电流方向为顺时针方向(沿OMN方向),回路中产生的感应
电动势为E=BωR2,回路电流为I=I,故C正确,A、B、D错误.
4 4 1
例8 (多选)(2020·山东卷·12)如图所示,平面直角坐标系的第一和第二象限分别存在磁感
应强度大小相等、方向相反且垂直于坐标平面的匀强磁场,图中虚线方格为等大正方形.一
位于Oxy平面内的刚性导体框abcde在外力作用下以恒定速度沿y轴正方向运动(不发生转动).从图示位置开始计时,4 s末bc边刚好进入磁场.在此过程中,导体框内感应电流的
大小为I, ab边所受安培力的大小为F ,二者与时间t的关系图像可能正确的是( )
ab
答案 BC
解析 设虚线方格的边长为x,根据题意知abcde每经过1 s运动的距离为x.在0~1 s内,感
应电动势E=2Bxv,感应电流I=恒定;在1~2 s内,切割磁感线的有效长度均匀增加,故
1 1
感应电动势及感应电流随时间均匀增加,2 s时感应电动势E=3Bxv,感应电流I=;在2~
2 2
4 s内,切割磁感线的有效长度均匀减小,感应电动势和感应电流均匀减小,4 s时感应电动
势E =Bxv,感应电流I =,故A错误,B正确.由题意可知,在0~4 s内,ab边进入磁场
3 3
的长度l=vt,根据F=BIl,在0~1 s内,I=恒定,则F =BI·vt=t∝t;在1~2 s内,电流
ab 1
I随时间均匀增加,切割磁感线的有效长度l′=[2x+v(t-1)]∝t,据F=IlB可知F 与t为
ab
二次函数关系,图线是抛物线的一部分,且t=2 s时,F =;在2~4 s内,I随时间均匀减
ab
小,切割磁场的有效长度l″=3x-v(t-2)=5x-vt随时间均匀减小,故F 与t为二次函数
ab
关系,有极大值,当t=4 s时,F =,故C正确,D错误.
ab
课时精练
1.如图所示是两个相互连接的金属圆环,小金属环的电阻是大金属环电阻的二分之一,匀强
磁场垂直穿过大金属环所在区域,当磁感应强度随时间均匀变化时,在大环内产生的感应电
动势为E,则a、b两点间的电势差为( )A.E B.E C.E D.E
答案 B
解析 a、b间的电势差等于路端电压,而小环电阻占电路总电阻的,故 a、b间电势差为U
=E,选项B正确.
2.如图甲所示,在线圈l 中通入电流i 后,在l 上产生的感应电流随时间变化的规律如图
1 1 2
乙所示,l 、l 中电流的正方向如图甲中的箭头所示.则通入线圈 l 中的电流i 随时间t变化
1 2 1 1
的图像是图中的( )
答案 D
解析 因为l 中感应电流大小不变,根据法拉第电磁感定律可知,l 中磁场的变化是均匀的,
2 1
即l 中电流的变化也是均匀的,A、C错误;根据题图乙可知,0~时间内l 中的感应电流产
1 2
生的磁场方向向左,所以线圈l 中感应电流产生的磁场方向向左并且减小,或方向向右并且
1
增大,B错误,D正确.
3.(多选)(2023·广东省华南师大附中模拟)如图所示,在磁感应强度大小为B、方向竖直向下
的匀强磁场中,有两根光滑的平行导轨,间距为L,导轨两端分别接有电阻R 和R ,导体
1 2
棒以某一初速度从ab位置向右运动距离x到达cd位置时,速度为v,产生的电动势为E,
此过程中通过电阻R 、R 的电荷量分别为q 、q.导体棒有电阻,导轨电阻不计.下列关系
1 2 1 2
式中正确的是( )
A.E=BLv B.E=2BLv
C.q= D.=
1答案 AD
解析 导体棒做切割磁感线的运动,速度为v时产生的感应电动势E=BLv,故A正确,B
错误;设导体棒的电阻为r,根据法拉第电磁感应定律得==,根据闭合电路欧姆定律得=,
通过导体棒的电荷量为q=Δt,导体棒相当于电源,电阻R 和R 并联,则通过电阻R 和R
1 2 1 2
的电流之比=,通过电阻R 、R 的电荷量之比==,结合q=q +q ,解得q =,故C错误,
1 2 1 2 1
D正确.
4.(多选)如图甲所示,单匝正方形线框abcd的电阻R=0.5 Ω,边长L=20 cm,匀强磁场垂
直于线框平面向里,磁感应强度的大小随时间变化规律如图乙所示,则下列说法中正确的是
( )
A.线框中的感应电流沿逆时针方向,大小为2.4×10-2 A
B.0~2 s内通过ab边横截面的电荷量为4.8×10-2 C
C.3 s时ab边所受安培力的大小为1.44×10-2 N
D.0~4 s内线框中产生的焦耳热为1.152×10-3 J
答案 BD
解析 由楞次定律判断感应电流为顺时针方向,由法拉第电磁感应定律得电动势 E=S=
1.2×10-2 V,感应电流I==2.4×10-2 A,故选项A错误;电荷量q=IΔt,解得q=4.8×
10-2 C,故选项B正确;安培力F=BIL,由题图乙得,3 s时B=0.3 T,代入数值得:F=
1.44×
10-3 N,故选项C错误;由焦耳定律得Q=I2Rt,代入数值得Q=1.152×10-3 J,故D选项
正确.
5.在水平光滑绝缘桌面上有一边长为L的正方形线框abcd,被限制在沿ab方向的水平直轨
道上自由滑动.bc边右侧有一正直角三角形匀强磁场区域efg,直角边ge和ef的长也等于
L,磁场方向竖直向下,其俯视图如图所示,线框在水平拉力作用下向右以速度 v匀速穿过
磁场区,若图示位置为t=0时刻,设逆时针方向为电流的正方向.则感应电流 i-t图像正
确的是(时间单位为)( )答案 D
解析 bc边的位置坐标x从0~L的过程中,根据楞次定律判断可知线框中感应电流方向沿
a→b→c→d→a,为正值.线框bc边有效切线长度为l=L-vt,感应电动势为E=Blv=B(L
-vt)·v,随着t均匀增加,E均匀减小,感应电流i=,即知感应电流均匀减小.同理,x从
L~2L的过程中,根据楞次定律判断出感应电流方向沿 a→d→c→b→a,为负值,感应电流
仍均匀减小,故A、B、C错误,D正确.
6.(2023·重庆市巴蜀中学高三月考)如图所示,线圈匝数为n,横截面积为S,线圈电阻为R,
处于一个均匀增强的磁场中,磁感应强度随时间的变化率为 k,磁场方向水平向右且与线圈
平面垂直,电容器的电容为C,两个电阻的阻值均为2R.下列说法正确的是( )
A.电容器上极板带负电
B.通过线圈的电流大小为
C.电容器所带的电荷量为
D.电容器所带的电荷量为
答案 D
解析 由楞次定律和右手螺旋定则知,电容器上极板带正电,A错误;因E=nkS,I==,
B错误;又U=I×2R=,Q=CU=,C错误,D正确.
7.(2023·山东省模拟)如图甲所示,一长为L的导体棒,绕水平圆轨道的圆心O匀速顺时针
转动,角速度为ω,电阻为r,在圆轨道空间存在有界匀强磁场,磁感应强度大小为B.半径
小于的区域内磁场竖直向上,半径大于的区域内磁场竖直向下,俯视图如图乙所示,导线一
端Q与圆心O相连,另一端P与圆轨道连接给电阻R供电,其余电阻不计,则( )A.电阻R两端的电压为
B.电阻R中的电流方向向上
C.电阻R中的电流大小为
D.导体棒的安培力做功的功率为0
答案 C
解析 半径小于的区域内,E =B·=,半径大于的区域,E =B·=,根据题意可知,两部分
1 2
电动势相反,故总电动势E=E -E =,根据右手定则可知圆心为负极,圆环为正极,电阻
2 1
R中的电流方向向下,电阻R上的电压U=E=,故A、B错误;电阻R中的电流大小为I=
=,故C正确;回路有电流,则安培力不为零,故导体棒的安培力做功的功率不为零,故D
错误.
8.(多选)如图,PAQ为一段固定于水平面上的光滑圆弧导轨,圆弧的圆心为 O,半径为L.空
间存在垂直导轨平面、磁感应强度大小为B的匀强磁场.电阻为R的金属杆OA与导轨接触
良好,图中电阻R =R =R,其余电阻不计.现使OA杆在外力作用下以恒定角速度ω绕圆
1 2
心O顺时针转动,在其转过的过程中,下列说法正确的是( )
A.流过电阻R 的电流方向为P→R→O
1 1
B.A、O两点间电势差为
C.流过OA的电荷量为
D.外力做的功为
答案 AD
解析 由右手定则判断出 OA 中电流方向由 O→A,可知流过电阻 R 的电流方向为
1
P→R→O,故A正确;OA产生的感应电动势为E=,将OA当成电源,外部电路R 与R 并
1 1 2
联,则A、O两点间的电势差为U=·=,故B错误;流过OA的电流大小为I==,转过弧
度所用时间为t==,流过OA的电荷量为q=It=,故C错误;转过弧度过程中,外力做的
功为W=EIt=,故D正确.
9.(多选)(2019·全国卷Ⅱ·21)如图,两条光滑平行金属导轨固定,所在平面与水平面夹角为
θ,导轨电阻忽略不计.虚线ab、cd均与导轨垂直,在ab与cd之间的区域存在垂直于导轨
所在平面的匀强磁场.将两根相同的导体棒PQ、MN先后自导轨上同一位置由静止释放,两者始终与导轨垂直且接触良好.已知PQ进入磁场时加速度恰好为零.从PQ进入磁场开
始计时,到MN离开磁场区域为止,流过PQ的电流随时间变化的图像可能正确的是( )
答案 AD
解析 根据题述,PQ进入磁场时加速度恰好为零,两导体棒从同一位置释放,则两导体棒
进入磁场时的速度相同,产生的感应电动势大小相等,PQ通过磁场区域后MN进入磁场区
域,MN同样匀速直线运动通过磁场区域,故流过PQ的电流随时间变化的图像可能是A;
若释放两导体棒的时间间隔较短,在PQ没有出磁场区域时MN就进入磁场区域,则两棒在
磁场区域中运动时回路中磁通量不变,感应电动势和感应电流为零,两棒不受安培力作用,
二者在磁场中做加速运动,PQ出磁场后,MN切割磁感线产生感应电动势和感应电流,且
感应电流一定大于刚开始仅PQ切割磁感线时的感应电流I ,则MN所受的安培力一定大于
1
MN的重力沿导轨平面方向的分力,所以MN一定做减速运动,回路中感应电流减小,流过
PQ的电流随时间变化的图像可能是D.
10.如图甲所示,虚线MN左、右两侧的空间均存在与纸面垂直的匀强磁场,右侧匀强磁场
的方向垂直纸面向外,磁感应强度大小恒为B ;左侧匀强磁场的磁感应强度B随时间t变化
0
的规律如图乙所示,规定垂直纸面向外为磁场的正方向.一硬质细导线的电阻率为 ρ、横截
面积为S,将该导线做成半径为r的圆环固定在纸面内,圆心O在MN上.求:
0
(1)t=时,圆环受到的安培力;
(2)在0~t 内,通过圆环的电荷量.
0
答案 (1),垂直于MN向左 (2)
解析 (1)根据法拉第电磁感应定律,圆环中产生的感应电动势E=S
上式中S=
由题图乙可知=
根据闭合电路的欧姆定律有I=根据电阻定律有R=ρ
t=t 时,圆环受到的安培力大小F=BI·(2r)+I·(2r)
0 0
联立解得F=
由左手定则知,方向垂直于MN向左.
(2)通过圆环的电荷量q=·Δt
根据闭合电路的欧姆定律和法拉第电磁感应定律有=,=
在0~t 内,穿过圆环的磁通量的变化量为
0
ΔΦ=B·πr2+·πr2
0
联立解得q=.
11.如图所示,光滑的足够长的平行水平金属导轨 MN、PQ相距l,在M、P和N、Q间各
连接一个额定电压为U、阻值恒为R的灯泡L、L,在两导轨间cdfe矩形区域内有垂直导轨
1 2
平面竖直向上、宽为d 的有界匀强磁场,磁感应强度为B ,且磁场区域可以移动,一电阻
0 0
也为R、长度大小也刚好为l的导体棒ab垂直固定在磁场左边的导轨上,离灯泡 L 足够远.
1
现让匀强磁场在导轨间以某一恒定速度向左移动,当棒ab刚处于磁场时两灯泡恰好正常工
作.棒ab与导轨始终保持良好接触,导轨电阻不计.
(1)求磁场移动的速度大小;
(2)若保持磁场不移动(仍在cdfe矩形区域),而使磁感应强度B随时间t均匀变化,两灯泡中
有一灯泡正常工作且都有电流通过,设t=0时,磁感应强度为B.试求出经过时间t时磁感
0
应强度的可能值B.
t
答案 (1) (2)B±t
0
解析 (1)当ab刚处于磁场时,ab棒切割磁感线,产生感应电动势,相当于电源,灯泡刚好
正常工作,则电路中路端电压U =U
外
由电路的分压之比得U =2U
内
则感应电动势为E=U +U =3U
外 内
由E=Blv=3U,可得v=
0
(2)若保持磁场不移动(仍在cdfe矩形区域),而使磁感应强度B随时间t均匀变化,可得棒与
L 并联后再与L 串联,则正常工作的灯泡为L ,所以L 两端的电压为U,电路中的总电动
1 2 2 2
势为
E=U+=
根据法拉第电磁感应定律得E==ld
0联立解得=,所以经过时间t时磁感应强度的可能值B=B±t.
t 0