北京曲一线图书策划有限公司 5年高考3年模拟 A版 物理
专题十二 电磁感应
23年真题
1.(2023重庆,2,4分)某小组设计了一种呼吸监测方案:在人身上缠绕弹性金属线圈,观察
人呼吸时处于匀强磁场中的线圈面积变化产生的电压,了解人的呼吸状况。如图所示,线
圈P的匝数为N,磁场的磁感应强度大小为B,方向与线圈轴线的夹角为θ。若某次吸气
时,在t时间内每匝线圈面积增加了S,则线圈P在该时间内的平均感应电动势为( )
NBScosθ NBSsinθ
A. B.
t t
BSsinθ BScosθ
C. D.
t t
ΔΦ NBScosθ
答案A 根据法拉第电磁感应定律有E=N = (点拨:计算磁通量时,应该用
Δt t
磁感应强度在垂直线圈平面的分量乘以面积)。
2.(2023海南,6,3分)汽车测速利用了电磁感应现象,汽车可简化为一个矩形线圈abcd,埋
在地下的线圈分别为1、2,通上顺时针(俯视)方向电流,当汽车经过线圈时 ( )
A.线圈1、2产生的磁场方向竖直向上
B.汽车进入线圈1过程产生感应电流方向为abcd
C.汽车离开线圈1过程产生感应电流方向为abcd
D.汽车进入线圈2过程受到的安培力方向与速度方向相同
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答案C 线圈1、2中所通电流方向为顺时针(俯视),产生的磁场方向都垂直地面向下,A
错误;汽车进入线圈1过程,通过线圈abcd的磁通量增大,感应电流方向与线圈1中电流
反向,为逆时针(adcb),离开线圈1过程通过线圈abcd的磁通量减小,感应电流方向为顺时
针(abcd),B错误,C正确;汽车进入线圈2过程,通过线圈abcd的磁通量增大,感应电流方
向为逆时针,汽车受到的安培力方向与速度方向相反,D错误。
3.(2023江苏,8,4分)如图所示,圆形区域内有垂直纸面向里的匀强磁场,OC导体棒
的O端位于圆心,棒的中点A位于磁场区域的边缘。现使导体棒绕O点在纸面
内逆时针转动,O、A、C点电势分别为φ 、φ 、φ ,则( )
O A C
A.φ >φ B.φ >φ
O C C A
C.φ =φ D.φ -φ =φ -φ
O A O A A C
答案A 棒OA段切割磁感线产生感应电动势,相当于电源,由右手定则可判定,φ >φ ,因AC段不
O A
切割磁感线,故φ =φ ,则φ >φ ,A正确。
A C O C
4.(2023全国乙,17,6分)一学生小组在探究电磁感应现象时,进行了如下比较实验。
用图(a)所示的缠绕方式,将漆包线分别绕在几何尺寸相同的有机玻璃管和金属铝
管上,漆包线的两端与电流传感器接通。两管皆竖直放置,将一很小的强磁体分别
从管的上端由静止释放,在管内下落至管的下端。实验中电流传感器测得的两管
上流过漆包线的电流I随时间t的变化分别如图(b)和图(c)所示,分析可知( )
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A.图(c)是用玻璃管获得的图像
B.在铝管中下落,小磁体做匀变速运动
C.在玻璃管中下落,小磁体受到的电磁阻力始终保持不变
D.用铝管时测得的电流第一个峰到最后一个峰的时间间隔比用玻璃管时的短
答案：A 由题图(b)知强磁体下落的速度较小且速度几乎不变,说明强磁体受到的电磁阻力较大,
由题图(c)知强磁体下落速度较大且速度增加得快,说明强磁体受到的电磁阻力较小,所以图(b)是
用铝管获得的图像,金属铝管产生较大电磁阻力,强磁体运动时间较长,图(c)是用玻璃管获得的图
像,故A正确,D错误。由强磁体在铝管中运动时漆包线的电流峰值相同,可知强磁体在一段时间
内做匀速运动,B错误。强磁体在玻璃管中速度增大,电流峰值增大,强磁体受到的电磁阻力的峰
值增大,故C错误。
5. (2023河北,8,6分)(多选)如图1,绝缘水平面上四根完全相同的光滑金属杆围成矩形,
彼此接触良好,匀强磁场方向竖直向下。金属杆2、3固定不动,1、4同时沿图1箭头方
向移动,移动过程中金属杆所围成的矩形周长保持不变。当金属杆移动到图2位置时,金
属杆所围面积与初始时相同。在此过程中 ( )
A.金属杆所围回路中电流方向保持不变
B.通过金属杆截面的电荷量随时间均匀增加
C.金属杆1所受安培力方向与运动方向先相同后相反
D.金属杆4所受安培力方向与运动方向先相反后相同
4.CD 由数学知识可知金属杆所围回路的面积先增大后减小,金属杆所围回路内磁通量
先增大后减小,根据楞次定律可知电流方向先沿逆时针方向,后沿顺时针方向,A错误;由
于金属杆所围回路的面积非均匀变化,故感应电流的大小不恒定,通过金属杆截面的电荷
量随时间不是均匀增加的,B错误;由上述分析,再根据左手定则,可知金属杆1所受安培
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力方向与运动方向先相同后相反,金属杆4所受安培力方向与运动方向先相反后相同,故
C、D正确。
6.(2023重庆,7,4分)如图所示,与水平面夹角为θ的绝缘斜面上固定有光滑U形金属导轨。
质量为m、电阻不可忽略的导体杆MN沿导轨向下运动,以大小为v的速度进入方向垂
直于导轨平面向下的匀强磁场区域,在磁场中运动一段时间t后,速度大小变为2v。运动
过程中杆与导轨垂直并接触良好,导轨的电阻忽略不计,重力加速度为g。杆在磁场中运
动的此段时间内 ( )
A.流过杆的感应电流方向从N到M
3
B.杆沿导轨下滑的距离为 vt
2
C.流过杆感应电流的平均电功率等于重力的平均功率
D.杆所受安培力的冲量大小为mgt sin θ-mv
答案D 根据右手定则可知流过杆的感应电流方向从M到N,A错误。依题意,设匀强磁
场的磁感应强度大小为B,杆切割磁感线的有效长度为L,导体杆MN电阻为R。杆在磁
场中运动的此段时间内,杆受到重力、轨道支持力及沿导轨向上的安培力,根据牛顿第二
BLv B2L2v
定律可得mg sin θ-F =ma,F =BIL,I= ,联立可得杆的加速度a=g sin θ- ,可知
安 安 R mR
杆在磁场中运动的此段时间内做加速度逐渐减小的加速运动;若杆做匀加速直线运动,则
v+2v 3 3
杆运动的距离s= ·t= vt,则杆实际运动的距离大于 vt,B错误。由于在磁场中运动
2 2 2
的此段时间内,杆做加速度逐渐减小的加速运动,杆的动能增大。由动能定理可知,重力对
W
杆所做的功大于杆克服安培力所做的功,根据P= 可得安培力的平均功率小于重力的
t
平均功率,即流过杆的感应电流的平均电功率小于重力的平均功率,C错误。杆在磁场中
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运动的此段时间内,根据动量定理,可得mgt sin θ-I =m·2v-mv,得杆所受安培力的冲量大
安
小I =mgt sin θ-mv,D正确。
安
7.(2023山东,12,4分)(多选)足够长U形导轨平置在光滑水平绝缘桌面上,宽为1 m,
电阻不计。质量为1 kg、长为1 m、电阻为1 Ω的导体棒MN放置在导轨上,与
导轨形成矩形回路并始终接触良好,Ⅰ和Ⅱ区域内分别存在竖直方向的匀强磁场,
磁感应强度分别为B 和B ,其中B =2 T,方向向下。用不可伸长的轻绳跨过固定
1 2 1
轻滑轮将导轨CD段中点与质量为0.1 kg的重物相连,绳与CD垂直且平行于桌
面。如图所示,某时刻MN、CD同时分别进入磁场区域Ⅰ和Ⅱ并做匀速直线运
动,MN、CD与磁场边界平行。MN的速度v =2 m/s,CD的速度为v 且v >v ,MN
1 2 2 1
和导轨间的动摩擦因数为0.2。重力加速度大小取10 m/s2,下列说法正确的是(
)
A.B 的方向向上 B.B 的方向向下
2 2
C.v =5 m/s D.v =3 m/s
2 2
答案：BD MN、CD分别同时进入磁场区域Ⅰ、Ⅱ并做匀速直线运动,且CD的速度v 大于MN
2
的速度v,MN受到向右的滑动摩擦力f=μmg=2 N,设回路中电流为I,则MN受到向左的安培力
1
F=BIL,根据平衡条件可知f=F,由此得回路中的电流I=1 A,回路总电阻R=1 Ω,则回路中总电动
1 1 1
势E=IR=1 V,MN切割磁感线产生的感应电动势E=BLv=4 V,产生的感应电流由N到M,则CD
1 1 1
切割磁感线产生的感应电动势大小E=E-E=3 V,且感应电流应由C到D,由右手定则可知B 方向
2 1 2
应向下,B正确,A错误;对U形导轨受力分析,受到向右的绳子的拉力T=m'g=1 N,受到向左的滑动
摩擦力f'=f=2 N,根据平衡条件可知U形导轨受到向右的安培力且大小为F=f'-T=1 N,由F=BIL
2 2 2
解得B=1 T,代入E=BLv=3 V中解得v=3 m/s,D正确,C错误。
2 2 2 2 2
8.(2023全国甲,21,6分)(多选)一有机玻璃管竖直放在水平地面上,管上有漆包线绕
成的线圈,线圈的两端与电流传感器相连,线圈在玻璃管上部的5匝均匀分布,下
部的3匝也均匀分布,下部相邻两匝间的距离大于上部相邻两匝间的距离,如图(a)
所示。现让一个很小的强磁体在玻璃管内沿轴线从上端口由静止下落,电流传感
器测得线圈中电流I随时间t的变化如图(b)所示。则( )
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A.小磁体在玻璃管内下降速度越来越快
B.下落过程中,小磁体的N极、S极上下颠倒了8次
C.下落过程中,小磁体受到的电磁阻力始终保持不变
D.与上部相比,小磁体通过线圈下部的过程中,磁通量变化率的最大值更大
答案AD 设线圈总电阻为R,小磁体所受电磁阻力为F ,小磁体下落过程中由法拉第电磁感应
阻
定律有
ΔΦ
E=n ①
Δt
E
回路中的感应电流I= ②
R
线圈受到的安培力F =BIL③
安
根据楞次定律可知,小磁体每穿过一个线圈,电流方向改变一次(小磁体正中央水平截面与线圈齐
平时,以及和上下两相邻线圈距离相同时,电流为0),小磁体的N极、S极上下不颠倒,B错误;由牛
顿第三定律知,小磁体受到的电磁阻力与线圈所受安培力等大反向,即F =F ,由题图(b)可知感应
阻 安
电流大小不断变化,故小磁体受到的电磁阻力发生变化,C选项错误;由①②③联立可得感应电流
n ΔΦ
的大小I= · ,在匝数不变的情况下,感应电流的大小与磁通量的变化率成正比,由题图(b)知
R Δt
感应电流峰值的绝对值逐渐增大,电流在达到峰值前后,可认为n=1,则小磁体下落过程中,磁通量
变化率的极值逐渐增大,即小磁体通过线圈下部的过程中,磁通量变化率的最大值更大,D选项正
确;小磁体下落的过程中,电流峰值对应磁通量变化率逐渐增大,说明小磁体的速度在增大,A选项
正确。故选A、D。
9. (2023福建,4,4分)如图,M、N是两根固定在水平面内的光滑平行金属导轨,导轨足
够长且电阻可忽略不计;导轨间有一垂直于水平面向下的匀强磁场,其左边界OO'垂直于
导轨;阻值恒定的两均匀金属棒a、b均垂直于导轨放置,b始终固定。a以一定初速度进
入磁场,此后运动过程中始终与导轨垂直且接触良好,并与b不相碰。以O为坐标原点,
水平向右为正方向建立x轴坐标;在运动过程中,a的速度记为v,a克服安培力做功的功率
记为P。下列v或P随x变化的图像中,可能正确的是( )
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答案A 设导轨间磁场的磁感应强度大小为B,导轨间距为L,两金属棒总电阻为R,感应
E BLv B2L2v
电动势E=BLv,回路中电流I= = ,金属棒a受到的安培力F=BIL= ,方向与运
R R R
B2L2v
(
B2L2v)
动方向相反。由动量定理有- ·Δt=m·Δv,对等式两边求和可得∑ -
R R
(B2L2
)
B2L2
·Δt=mv-mv ,即- ∑(v·Δt)=mv-mv ,其中∑(v·Δt)=x,得v=v - x,故v⁃x图线是一
t 0 R t 0 t 0 mR
B2L2
(
B2L2
)
2
条直线,A正确,B错误。克服安培力做功的功率P=Fv= · v - x ,P⁃x图线是
R 0 mR
一条开口向上的抛物线,故C、D均错误。
10.(2023天津,10,14分)如图,有一正方形线框静止悬挂着,其质量为m、电阻为R、边长
为l。空间中有一个三角形磁场区域,其磁感应强度大小为B=kt(k>0),方向垂直于线框所
在平面向里,且线框中磁场区域的面积为线框面积的一半,已知重力加速度为g,求:
(1)感应电动势E;
(2)线框开始向上运动的时刻t 。
0
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kl2 mg·2R
答案 (1) (2)
2 k2l3
解析 (1)根据法拉第电磁感应定律有
ΔB·S ΔB l2 kl2
E= = · = 。
Δt Δt 2 2
(2)由图可知线框受到的安培力为
E kl3
F =BIl=kt· ·l= ·kt
A R 2R
当线框开始向上运动时有mg=F
A
mg·2R
解得t = 。
0 k2l3
11.(2023广东,14,13分)光滑绝缘的水平面上有垂直平面的匀强磁场,磁场被分成区域Ⅰ
和Ⅱ,宽度均为h,其俯视图如图(a)所示,两磁场的磁感应强度随时间t的变化图线如图(b)
所示,0~τ时间内,两区域磁场恒定,方向相反,磁感应强度大小分别为2B 和B ,一电阻为
0 0
R,边长为h的刚性正方形金属线框abcd,平放在水平面上,ab、cd边与磁场边界平行。
t=0时,线框ab边刚好跨过区域Ⅰ的左边界以速度v向右运动。在τ时刻,ab边运动到距
h
区域Ⅰ的左边界 处,线框的速度近似为零,此时线框被固定,如图(a)中的虚线框所示。随
2
后在τ~2τ时间内,Ⅰ区磁感应强度线性减小到0,Ⅱ区磁场保持不变;2τ~3τ时间内,Ⅱ区磁感
应强度也线性减小到0。求:
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(1)t=0时,线框所受的安培力F;
(2)t=1.2τ时,穿过线框的磁通量Φ;
(3)2τ~3τ时间内,线框中产生的热量Q。
9B2h2v 3B h2 B2h4
答案 (1) 0 ,方向水平向左 (2) 0 (3) 0
R 10 4τR
解析 (1)由题可知,t=0时线框切割磁感线产生的感应电动势E=2B hv+B hv=3B hv
0 0 0
E 3B hv
则感应电流大小I= = 0
R R
3B hv 3B hv 9B2h2v
所受的安培力F=2B 0 h+B 0 h= 0 ,方向水平向左
0 R 0 R R
h
(2)在τ时刻,ab边运动到距区域Ⅰ的左边界 处,线框的速度近似为零,此时线框被固定,
2
1 1 3B h2
则t=1.2τ时穿过线框的磁通量Φ=1.6B h· h-B h· h= 0 。
0 2 0 2 10
(3)2τ~3τ时间内,Ⅱ区磁感应强度也线性减小到0,则有
1
ΔΦ B · h2 B h2
E'= = 0 2 = 0
Δt 2τ
τ
E' B h2
感应电流大小I'= = 0
R 2τR
B2h4
则2τ~3τ时间内,线框中产生的热量Q=I'2Rτ= 0
4τR
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12.(2023全国甲,25,20分)如图,水平桌面上固定一光滑U型金属导轨,其平行部分
的间距为l,导轨的最右端与桌子右边缘对齐,导轨的电阻忽略不计。导轨所在区
域有方向竖直向上的匀强磁场,磁感应强度大小为B。一质量为m、电阻为R、
长度也为l的金属棒P静止在导轨上。导轨上质量为3m的绝缘棒Q位于P的左
侧,以大小为v 的速度向P运动并与P发生弹性碰撞,碰撞时间极短。碰撞一次后,
0
P和Q先后从导轨的最右端滑出导轨,并落在地面上同一地点。P在导轨上运动
时,两端与导轨接触良好,P与Q始终平行。不计空气阻力。求
(1)金属棒P滑出导轨时的速度大小;
(2)金属棒P在导轨上运动过程中产生的热量;
(3)与P碰撞后,绝缘棒Q在导轨上运动的时间。
v 2mR
答案 (1)
0 (2)mv2
(3)
2 0 B2l2
解析 (1)由于绝缘棒Q与金属棒P的碰撞为弹性碰撞,金属导轨光滑,可知Q棒与P棒组成的系统
动量守恒,机械能守恒,有
3mv=3mv'+mv'①
0 1 2
1 1 1
×3mv2
= ×3mv'2+ mv'2②
2 0 2 1 2 2
v 3
0
联立①②得v'= ,v'= v
1 2 2 2 0
绝缘棒Q在水平方向所受合力为0,碰后做匀速直线运动,而P、Q落在地面同一点,可知P棒滑出
v
0
导轨时的速度等于Q棒滑出导轨时的速度,即金属棒P滑出导轨时的速度大小为 。
2
(2)由能量守恒定律可知,金属棒P减少的动能转换为运动过程中P棒产生的焦耳热,有
1 1 1 9 1 v2
Q = mv'2- mv'2= m× v2 - m× 0=mv2 ③
P 2 2 2 1 2 4 0 2 4 0
(3)对P棒由法拉第电磁感应定律有
ΔΦ
E=n (其中n=1)④
Δt
E
I= ⑤
R
q= ·Δt⑥
I
ΔΦ Blx
联立④⑤⑥得q= = ⑦
R R
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可知碰撞后P的位移为
qR
x= ⑧
Bl
对P棒应用动量定理有
-B lΔt=mΔv⑨
I
整理有-Blq=mv'-mv'=-mv
1 2 0
mv
0
解得q= ⑩
Bl
从Q与P碰撞到Q滑出导轨,Q与P在导轨上运动的位移相同,都是x,Q做匀速直线运动,则与P
碰撞后,设绝缘棒Q在导轨上运动的时间为t'
x
t'=
v'
1
2mR
联立①②⑧⑩ 可得t'=
B2l2
13.(2023湖南,14,14分)如图,两根足够长的光滑金属直导轨平行放置,导轨间距为
L,两导轨及其所构成的平面均与水平面成θ角,整个装置处于垂直于导轨平面斜
向上的匀强磁场中,磁感应强度大小为B。现将质量均为m的金属棒a、b垂直
导轨放置,每根金属棒接入导轨之间的电阻均为R。运动过程中金属棒与导轨始
终垂直且接触良好,金属棒始终未滑出导轨,导轨电阻忽略不计,重力加速度为g。
(1)先保持棒b静止,将棒a由静止释放,求棒a匀速运动时的速度大小v ;
0
(2)在(1)问中,当棒a匀速运动时,再将棒b由静止释放,求释放瞬间棒b的加速度
大小a ;
0
(3)在(2)问中,从棒b释放瞬间开始计时,经过时间t ,两棒恰好达到相同的速度v,
0
求速度v的大小,以及时间t 内棒a相对于棒b运动的距离Δx。
0
2mgRsinθ
答案： (1) (2)2g sin θ
B2L2
mgRsinθ 2m2gR2 sinθ
(3)gt sin θ+
0 B2L2 B4L4
解析 (1)棒a沿导轨向下运动,当mg sin θ=BIL时,棒a开始以速度v 匀速运动,
0
E
0
此时有E=BLv,流过金属棒的电流I=
0 0 2R
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B2L2v 2mgRsinθ
联立有mg sin θ= 0,解得v= 。
2R
0 B2L2
(2)棒b释放瞬间,由右手定则可知棒b受到的安培力方向沿导轨平面向下,根据牛顿第二定律有
mg sin θ+BIL=ma
0
解得a=2g sin θ。
0
(3)从棒b释放瞬间到两棒共速,对棒a根据动量定理有mgt sin θ-I =mv-mv①
0 F 0
对棒b根据动量定理有mgt sin θ+I =mv②
0 F
mgRsinθ
解得v=gt sin θ+
0 B2L2
ΔΦ BLΔx
t 时间内a、b棒与导轨构成的回路中产生的感应电动势的平均值E= =
0 t t
0 0
E
I=
2R
B2L2Δx
联立解得I =BILt=
F 0 2R
2m2gR2 sinθ
由①②得2I =mv,解得Δx= 。
F 0 B4L4
14.(2023新课标,26,20分)一边长为L、质量为m的正方形金属细框,每边电阻为
R ,置于光滑的绝缘水平桌面(纸面)上。宽度为2L的区域内存在方向垂直于纸面
0
的匀强磁场,磁感应强度大小为B,两虚线为磁场边界,如图(a)所示。
(1)使金属框以一定的初速度向右运动,进入磁场。运动过程中金属框的左、右边
框始终与磁场边界平行,金属框完全穿过磁场区域后,速度大小降为它初速度的一
半,求金属框的初速度大小。
(2)在桌面上固定两条光滑长直金属导轨,导轨与磁场边界垂直,左端连接电阻
R =2R ,导轨电阻可忽略,金属框置于导轨上,如图(b)所示。让金属框以与(1)中相
1 0
同的初速度向右运动,进入磁场。运动过程中金属框的上、下边框处处与导轨始
终接触良好。求在金属框整个运动过程中,电阻R 产生的热量。
1
图(a)
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图(b)
B2L3 3B4L6
答案 (1) (2)
mR 25mR2
0 0
E ΔΦ
解析 (1)金属框刚进入磁场到完全穿过磁场的过程中,有q=I·Δt、I= 、E= 、ΔΦ=2BL2
4R Δt
0
2BL2 BL2
解得此过程通过金属框的电荷量q= =
4R 2R
0 0
v
根据动量定理有-BILΔt=m· 0 -mv
2 0
1
可得BLq= mv
2 0
B2L3
解得金属框的初速度v=
0 mR
0
(2)金属框的上、下边框处处与导轨始终接触良好,导轨电阻可忽略,则上、下边框被导轨短路,线
框进入磁场过程中左边框与R 并联,右边框相当于电源,等效电路图如图1所示。
1
2 5
R 与R 并联后电阻为 R,R = R,该过程R 上产生的热量与整个回路产生的热量之比
1 0 3 0 总1 3 0 1
Q I2R
1 1 1
=
Q I2 R
总1 总1 总1
I R 1 Q 2
1 0 1
由电路特点知 = = ,I =I+I,则 =
I R 2 总1 1 0 Q 15
0 1 总1
设金属框刚好完全进入磁场时的速度为v,金属框刚进入磁场到完全进入磁场过程中,由动量定理
1
可得
- Δt=mv-mv
F 1 1 0
安1
ΔΦ 3BL2
其中F =BI L,I = 1 =
安1 1 1 R Δt 5R Δt
总1 1 0 1
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2B2L3
解得v=
1 5R m
0
则此过程中整个回路产生的热量
1 1
21B4L6
Q =
mv2
-
mv2
=
总1 2 0 2 1 50mR2
0
此过程中R 产生的热量
1
2
7B4L6
Q= Q =
1 15 总1 125mR2
0
线框全部在磁场中运动时,等效电路如图2所示
简化电路如图3所示
R
0
R =
内 2
5
R =R+R = R
总2 1 内 2 0
该过程R 上产生的热量与整个回路产生的热量之比
1
Q I2 R 4
2 总2 1
= =
Q I2 R 5
总2 总2 总2
设金属框右边框刚要出磁场时的速度为v,从金属框恰好完全进入磁场到金属框右边框刚要出磁
2
场过程中,通过包含电路的整个闭合回路的磁通量发生变化,由动量定理可得
- Δt=mv-mv
F 2 2 1
安2
ΔΦ 2BL2
F =BI L,其中I = 2 =
安2 2 2 R Δt 5R Δt
总2 2 0 2
解得金属框右边框到达磁场右边界时的速度v=0
2
则此过程中整个回路产生的热量
1 1
2B4L6
Q =
mv2
-
mv2
=
总2 2 1 2 2 25mR2
0
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此过程中R 产生的热量
1
4
8B4L6
Q= Q =
2 5 总2 125mR2
0
综上,R 产生的总热量
1
( 7 8 )B4L6 3B4L6
+
Q=Q+Q= =
1 2 125 125 mR2 25mR2
0 0
22年及以往真题
1.(2022全国甲,16,6分)三个用同样的细导线做成的刚性闭合线框,正方形线框的边长与
圆线框的直径相等,圆线框的半径与正六边形线框的边长相等,如图所示。把它们放入磁
感应强度随时间线性变化的同一匀强磁场中,线框所在平面均与磁场方向垂直,正方形、
圆形和正六边形线框中感应电流的大小分别为I 、I 和I 。则 ( )
1 2 3
A.I <I <I B.I >I >I
1 3 2 1 3 2
C.I =I >I D.I =I =I
1 2 3 1 2 3
答案 C 设正方形的边长为2a,细导线单位长度的电阻为r ,对正方形线框,由法拉第电
0
ΔB E
磁感应定律可得线框产生的感应电动势E= ·(2a)2,总电阻R=8a·r ,所以感应电流I =
Δt 0 1 R
ΔB
ΔB·a ·πa2 ΔB·a
= ;同理可得圆形线框中感应电流I = Δt = ,正六边形线框中感应电
2Δt·r 2 2Δt·r
0 2πa·r 0
0
ΔB 1 √3
·6( a· a) √3·ΔB·a
流I = Δt 2 2 = ,所以I =I >I ,C正确。
3 4Δt·r 1 2 3
6ar 0
0
2.(2022北京,11,3分)如图所示平面内,在通有图示方向电流I的长直导线右侧,固定一矩
形金属线框abcd,ad边与导线平行。调节电流I使得空间各点的磁感应强度随时间均匀
增加,则( )
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A.线框中产生的感应电流方向为a→b→c→d→a
B.线框中产生的感应电流逐渐增大
C.线框ad边所受的安培力大小恒定
D.线框整体受到的安培力方向水平向右
答案 D 由楞次定律可判定线框中产生的感应电流方向为a→d→c→b→a,选项A错误。
由于空间各点磁感应强度随时间均匀增大,则线框中磁通量均匀增大,由法拉第电磁感应
定律可知,线框中产生的感应电流恒定,B错误。ad边所受安培力F=BIL随B均匀增大,C
错误。由安培定则可知线框所在平面处磁场方向垂直纸面向里,再由左手定则可知线框
各边所受安培力方向均垂直于各边向内使线框收缩,由于离场源电流越近磁场越强,故
ab边与cd边所受安培力等大反向,ad边所受安培力大于bc边所受安培力,整体所受合力
方向水平向右,D正确。
3.(2022江苏,5,4分)如图所示,半径为r的圆形区域内有垂直于纸面的匀强磁场,磁感应强
度B随时间t的变化关系为B=B +kt,B 、k为常量,则图中半径为R的单匝圆形线圈中产
0 0
生的感应电动势大小为 ( )
A.πkr2 B.πkR2 C.πB r2 D.πB R2
0 0
ΔΦ ΔB
答案 A 由E= =S =πr2·k可知A正确。
Δt Δt
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4.(2022河北,5,4分)将一根绝缘硬质细导线顺次绕成如图所示的线圈,其中大圆面积为S ,
1
小圆面积均为S ,垂直线圈平面方向有一随时间t变化的磁场,磁感应强度大小
2
B=B +kt,B 和k均为常量,则线圈中总的感应电动势大小为 ( )
0 0
A.kS B.5kS
1 2
C.k(S -5S ) D.k(S +5S )
1 2 1 2
答案 D 根据楞次定律可知,5个小圆线圈和大圆线圈内产生的感应电流方向一致,因
此线圈产生的总感应电动势应为所有感应电动势之和。小圆线圈产生的感应电动势E =
1
ΔΦ ΔΦ'
=kS ,大圆线圈产生的感应电动势为E = =kS ,所以总感应电动势为
Δt 2 2 Δt 1
E=5E +E =k(S +5S ),选项D正确。
1 2 1 2
5.(2022浙江1月选考,13,3分)如图所示,将一通电螺线管竖直放置,螺线管内部形成方向
竖直向上、磁感应强度大小B=kt的匀强磁场,在内部用绝缘轻绳悬挂一与螺线管共轴的
金属薄圆管,其电阻率为ρ、高度为h、半径为r、厚度为d (d≪r),则 ( )
A.从上向下看,圆管中的感应电流为逆时针方向
kπr2
B.圆管的感应电动势大小为
h
πdhk2r3
C.圆管的热功率大小为
2ρ
D.轻绳对圆管的拉力随时间减小
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答案 C 根据安培定则,圆管中磁场方向向上增大,由楞次定律可判定圆管中感应电流
ΔB ΔΦ ΔB
方向为顺时针方向(从上向下看),故A错误; =k,圆管中感应电动势E= =
Δt Δt Δt
L 2πr E
·πr2=kπr2,故B错误;根据电阻定律R=ρ 可知圆管电阻R=ρ ,结合P=I2R,I= 可得圆
S dh R
πdhk2r3
管热功率大小为 ,C正确;根据左手定则,圆管所受安培力在水平方向,故轻绳拉
2ρ
力不变,D错误。
6.(2022重庆,7,4分)如图1所示,光滑的平行导电轨道水平固定在桌面上,轨道间连接一可
变电阻,导体杆与轨道垂直并接触良好(不计杆和轨道的电阻),整个装置处在垂直于轨道
平面向上的匀强磁场中。杆在水平向右的拉力作用下先后两次都由静止开始做匀加速
直线运动,两次运动中拉力大小与速率的关系如图2所示。其中,第一次对应直线①,初始
拉力大小为F ,改变电阻阻值和磁感应强度大小后,第二次对应直线②,初始拉力大小为
0
2F ,两直线交点的纵坐标为3F 。若第一次和第二次运动中的磁感应强度大小之比为
0 0
k、电阻的阻值之比为m、杆从静止开始运动相同位移的时间之比为n,则k、m、n可能
为 ( )
图1 图2
A.k=2、m=2、n=2
B.k=2√2、m=2、n=√2
C.k=√6、m=3、n=√2
D.k=2√3、m=6、n=2
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B2L2v
答案 C 在导体杆匀加速运动中,由F-BIL=Ma、I=E/R、E=BLv可得:F= +Ma,结
R
B2R a 1 1 k2
合图2可见两次运动过程中 1 2 =2、 1 = ,再结合位移-时间公式x= at2可得 ❑=
B2R a 2 2 m
2 1 2
B2R t √a
1 2 =2、n= 1 = 2=√2,可见只有C正确。
B2R t a
2 1 2 1
7.(2022广东,10,6分)(多选)如图所示,水平地面(Oxy平面)下有一根平行于y轴且通有恒
定电流I的长直导线。P、M和N为地面上的三点,P点位于导线正上方,MN平行于y轴,
PN平行于x轴。一闭合的圆形金属线圈,圆心在P点,可沿不同方向以相同的速率做匀
速直线运动,运动过程中线圈平面始终与地面平行。下列说法正确的有 ( )
A.N点与M点的磁感应强度大小相等,方向相同
B.线圈沿PN方向运动时,穿过线圈的磁通量不变
C.线圈从P点开始竖直向上运动时,线圈中无感应电流
D.线圈从P到M过程的感应电动势与从P到N过程的感应电动势相等
答案 AC 长直导线中的电流产生的磁场在P、N两点的磁感应强度方向如图。
过M点作x轴的平行线,与通电导线在xOy平面内的投影交于P',则有MP'=NP,故N、M
两点磁感应强度大小相等、方向相同,A项正确;圆形线圈在初始位置时,通过线圈的磁通
量为零,沿PN方向运动时,穿过线圈的磁通量变化,B项错误;P点为导线正上方的点,当线
圈从P点开始竖直向上运动时,通过线圈的磁通量始终为0,线圈中无感应电流,选项C正
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ΔΦ x
确;由E= ,Δt= ,而x <x ,则Δt <Δt ,故线圈从P到M过程与从P到N过程的磁通
Δt v PN PM PN PM
量变化量相等,但感应电动势不相等,选项D错误。
8.(2022山东,12,4分)(多选)如图所示,xOy平面的第一、三象限内以坐标原点O为圆心、
半径为√2L的扇形区域充满方向垂直纸面向外的匀强磁场。边长为L的正方形金属框
绕其始终在O点的顶点、在xOy平面内以角速度ω顺时针匀速转动。t=0时刻,金属框
开始进入第一象限。不考虑自感影响,关于金属框中感应电动势E随时间t变化规律的
描述正确的是 ( )
π
A.在t=0到t= 的过程中,E一直增大
2ω
π
B.在t=0到t= 的过程中,E先增大后减小
2ω
π
C.在t=0到t= 的过程中,E的变化率一直增大
4ω
π
D.在t=0到t= 的过程中,E的变化率一直减小
4ω
π
答案 BC 在t=0至t= 的过程中,l 先变大后变小,故E先增大后减小,故B正确,A
2ω 有
π L 1 BL2ω
错误。在t=0至t= 的过程中,有效切割长度l = ,E=
Bl2
ω= ,由三角
4ω 有 cosωt 2 有 2cos2ωt
ΔE sinωt
函数求导知识可得,E的变化率 =BL2ω2· 变大,故C正确,D错误。
Δt cos3ωt
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π
易错点拨 电动势的变化率从t=0至t= 的过程中,有效切割长度变大,故E变大,E的
4ω
变化率需要对E求导,结合数学方法去分析推导。
9.(2022河北,8,6分)(多选)如图,两光滑导轨水平放置在竖直向下的匀强磁场中,一根导轨
位于x轴上,另一根由ab、bc、cd三段直导轨组成,其中bc段与x轴平行,导轨左端接入
一电阻R。导轨上一金属棒MN沿x轴正向以速度v 保持匀速运动,t=0时刻通过坐标原
0
点O,金属棒始终与x轴垂直。设运动过程中通过电阻的电流为i,金属棒受到安培力的大
小为F,金属棒克服安培力做功的功率为P,电阻两端的电压为U。导轨与金属棒接触良
好,忽略导轨与金属棒的电阻。下列图像可能正确的是 ( )
L
答案 AC 设ab、cd导轨与x轴夹角为θ,在O处,金属棒有效长度为y ,在0~ 时间内,
0 v
0
金属棒切割磁感线有效长度为y=y +v t tan θ,则切割磁感线的感应电动势
0 0
E=Byv =By v +Bv2t tan θ,感应电动势E与t是一次函数关系,即感应电流i与时间t是一次
0 0 0 0
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L 2L
函数关系,在 ~ 时间内,金属棒切割磁感线有效长度不变,所以感应电动势不变,感应
v v
0 0
2L 3L L
电流不变,在 ~ 时间内相当于0~ 时间内的逆过程,因此选项A正确;由于不计除
v v v
0 0 0
电阻R之外的所有电阻,所以电阻R两端电压与感应电动势相等,选项D错误;当t=0、t=
3L
时,金属棒的感应电动势并不等于零,电流也不等于零,所以安培力并不等于0,选项B
v
0
L B2y2v2 B2v2
错误;在0~ 时间内,金属棒克服安培力做功的功率P=Fv = 0= 0(y +v t tan
v 0 R R 0 0
0
L 2L
θ)2,P-t图像是抛物线的一部分,在 ~ 时间内切割磁感线有效长度不变,P=Fv =
v v 0
0 0
B2y2v2 2L 3L L
0,所以P恒定,在 ~ 时间内相当于0~ 时间内的逆过程,选项C正确。
R v v v
0 0 0
10.(2022湖南,10,5分)(多选)如图,间距L=1 m的U形金属导轨,一端接有0.1 Ω的定值电
阻R,固定在高h=0.8 m的绝缘水平桌面上。质量均为0.1 kg的匀质导体棒a和b静止在
导轨上,两导体棒与导轨接触良好且始终与导轨垂直,接入电路的阻值均为0.1 Ω,与导轨
间的动摩擦因数均为0.1(设最大静摩擦力等于滑动摩擦力),导体棒a距离导轨最右端
1.74 m。整个空间存在竖直向下的匀强磁场(图中未画出),磁感应强度大小为0.1 T。用
F=0.5 N沿导轨水平向右的恒力拉导体棒a,当导体棒a运动到导轨最右端时,导体棒b刚
要滑动,撤去F,导体棒a离开导轨后落到水平地面上。重力加速度取10 m/s2,不计空气阻
力,不计其他电阻,下列说法正确的是 ( )
A.导体棒a离开导轨至落地过程中,水平位移为0.6 m
B.导体棒a离开导轨至落地前,其感应电动势不变
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C.导体棒a在导轨上运动的过程中,导体棒b有向右运动的趋势
D.导体棒a在导轨上运动的过程中,通过电阻R的电荷量为0.58 C
答案 BD b刚要滑动时,等效电路如图
R =R =R=0.1 Ω
a b
E
1 1
E =BLv ,故I = R×
1 a b R+ 2
2
对b,有BI L=μmg,解得v =3.0 m/s,E =0.30 V
b a 1
1
a离开导轨做平抛运动,满足h= gt2,x=v t,解得x=1.2 m,A项错误。a在空中运动过程中,
2 a
切割磁感线的速度不变,由E=BLv ,可知E不变,B项正确。由右手定则和左手定则可判
a
E
断b所受安培力向左,故C项错误。a在导轨上运动过程,感应电荷量Q=I·Δt= ·Δt=
R
总
BLΔx BLΔx 1 1 0.1×1×1.74
·Δt= ,通过R的电荷量q= Q= × C=0.58 C,D项正确。
R Δt R 2 2 0.15
总 总
1
方法归纳 1.分析平抛运动时要抓住两个分运动,h= gt2,x=v t。2.电磁感应综合问题,要
2 0
抓“源、路、力、能”分析:①等效电路分析往往是电荷量分配、热量分配问题的突破
ΔΦ
口;②感应电荷量Q= 应用很广泛。
R
总
11.(2022全国甲,20,6分)(多选)如图,两根相互平行的光滑长直金属导轨固定在水平绝缘
桌面上,在导轨的左端接入电容为C的电容器和阻值为R的电阻。质量为m、阻值也为
R的导体棒MN静止于导轨上,与导轨垂直,且接触良好,导轨电阻忽略不计,整个系统处于
方向竖直向下的匀强磁场中。开始时,电容器所带的电荷量为Q,合上开关S后, (
)
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Q
A.通过导体棒MN电流的最大值为
RC
B.导体棒MN向右先加速、后匀速运动
C.导体棒MN速度最大时所受的安培力也最大
D.电阻R上产生的焦耳热大于导体棒MN上产生的焦耳热
答案 AD 合上开关的瞬间,导体棒两端电压等于电容器两端电压且为最大值,电流也
U Q
最大,I= = ,电流最大时,导体棒MN所受的安培力最大,而导体棒速度最大时电流不
R RC
是最大,所以A正确,C错误;导体棒MN先加速后减速,不会匀速,如果导体棒MN做匀速
直线运动,电阻上一直有焦耳热产生,其他能量都不变,不符合能量守恒,所以B错误;由于
棒运动过程切割磁感线产生反电动势,导致只有开始时通过电阻R的电流与通过导体棒
MN的电流相等,其他时候通过电阻R的电流都比通过导体棒MN的电流大,故由焦耳定
律可知电阻R上产生的焦耳热比导体棒MN上产生的焦耳热多,D正确。
易错警示 导体棒加速时通过其电流由M到N,减速时电流由N到M。
12.(2019课标Ⅲ,14,6分)楞次定律是下列哪个定律在电磁感应现象中的具体体现?( )
A.电阻定律 B.库仑定律
C.欧姆定律 D.能量守恒定律
答案 C 楞次定律的本质是感应磁场中能量的转化,是能量守恒定律在电磁感应现象
中的具体体现,故选项D正确。
13.(2014课标Ⅰ,14,6分)在法拉第时代,下列验证“由磁产生电”设想的实验中,能观察到
感应电流的是( )
A.将绕在磁铁上的线圈与电流表组成一闭合回路,然后观察电流表的变化
B.在一通电线圈旁放置一连有电流表的闭合线圈,然后观察电流表的变化
C.将一房间内的线圈两端与相邻房间的电流表连接,往线圈中插入条形磁铁后,再到相邻
房间去观察电流表的变化
第24页共70页北京曲一线图书策划有限公司 5年高考3年模拟 A版 物理
D.绕在同一铁环上的两个线圈,分别接电源和电流表,在给线圈通电或断电的瞬间,观察电
流表的变化
答案 D 将绕在磁铁上的线圈与电流表组成一闭合回路,因线圈中的磁通量没有变化,
故不能观察到感应电流,选项A不符合题意;在一通电线圈旁放置一连有电流表的闭合线
圈时,如果通电线圈通以恒定电流,产生不变的磁场,则在另一线圈中不会产生感应电流,
选项B不符合题意;在线圈中插入条形磁铁后,再到相邻房间去观察电流表时,磁通量已
不再变化,因此也不能观察到感应电流,选项C不符合题意;绕在同一铁环上的两个线圈,
在给一个线圈通电或断电的瞬间,线圈产生的磁场变化,使穿过另一线圈的磁通量变化,因
此,能观察到感应电流,选项D符合题意。
14.(2015课标Ⅱ,15,6分,0.337)如图,直角三角形金属框abc放置在匀强磁场中,磁感应强
度大小为B,方向平行于ab边向上。当金属框绕ab边以角速度ω逆时针转动时,a、b、c
三点的电势分别为U、U 、U。已知bc边的长度为l。下列判断正确的是( )
a b c
A.U>U,金属框中无电流
a c
B.U >U,金属框中电流方向沿a-b-c-a
b c
1
C.U =- Bl2ω,金属框中无电流
bc 2
1
D.U = Bl2ω,金属框中电流方向沿a-c-b-a
ac 2
答案 C 闭合金属框在匀强磁场中以角速度ω逆时针转动时,穿过金属框的磁通量始
终为零,金属框中无电流。由右手定则可知U =U<U,A、B、D选项错误;b、c两点的电
b a c
1
势差U =-Blv =- Bl2ω,选项C正确。
bc 中 2
思路点拨 ①穿过金属框的磁通量始终为零,没有感应电流产生。②可以由右手定则判
断电势高低。③感应电动势E=BLv。
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15.(2015重庆理综,4,6分)图为无线充电技术中使用的受电线圈示意图,线圈匝数为n,面
积为S。若在t 到t 时间内,匀强磁场平行于线圈轴线向右穿过线圈,其磁感应强度大小
1 2
由B 均匀增加到B ,则该段时间线圈两端a和b之间的电势差 φ-φ ( )
1 2 a b
nS(B -B ) nS(B -B )
2 1 2 1
A.恒为 B.从0均匀变化到
t -t t -t
2 1 2 1
nS(B -B ) nS(B -B )
2 1 2 1
C.恒为 - D.从0均匀变化到 -
t -t t -t
2 1 2 1
答案 C 由楞次定律判定,感应电流从a流向b,b点电势高于a点电势,故φ-φ =-nS
a b
B -B
2 1
,因为磁场均匀增加,所以φ-φ 为恒定的,可见C正确。
t -t a b
2 1
16.(2014江苏单科,1,3分)如图所示,一正方形线圈的匝数为n,边长为a,线圈平面与匀强
磁场垂直,且一半处在磁场中。在Δt时间内,磁感应强度的方向不变,大小由B均匀地增
大到2B。在此过程中,线圈中产生的感应电动势为( )
Ba2 nBa2 nBa2 2nBa2
A. B. C. D.
2Δt 2Δt Δt Δt
ΔФ ΔB
答案 B 由法拉第电磁感应定律知线圈中产生的感应电动势E=n =n ·S=n
Δt Δt
2B-B a2 nBa2
· ,得E= ,选项B正确。
Δt 2 2Δt
17.(2014山东理综,16,6分)如图,一端接有定值电阻的平行金属轨道固定在水平面内,通有
恒定电流的长直绝缘导线垂直并紧靠轨道固定,导体棒与轨道垂直且接触良好。在向右
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匀速通过M、N两区的过程中,导体棒所受安培力分别用F 、F 表示。不计轨道电阻。
M N
以下叙述正确的是( )
A.F 向右 B.F 向左 C.F 逐渐增大 D.F 逐渐减小
M N M N
答案 BCD 直导线产生的磁场在M区域垂直纸面向外,在N区域垂直纸面向里,根据
右手定则,导体棒上的感应电流在M区域向下,在N区域向上,由左手定则判定,在M、N
BLv B2L2v
区域导体棒所受安培力均向左,故A错误,B正确;I = ,F =BI L= ,离直导线
感 R 安 感 R
越近处B越大,所以F 逐渐增大,F 逐渐减小,C、D正确。
M N
18.(2017北京理综,19,6分)图1和图2是教材中演示自感现象的两个电路图,L 和L 为电
1 2
感线圈。实验时,断开开关S 瞬间,灯A 突然闪亮,随后逐渐变暗;闭合开关S ,灯A 逐渐
1 1 2 2
变亮,而另一个相同的灯A 立即变亮,最终A 与A 的亮度相同。下列说法正确的是(
3 2 3
)
A.图1中,A 与L 的电阻值相同
1 1
B.图1中,闭合S ,电路稳定后,A 中电流大于L 中电流
1 1 1
C.图2中,变阻器R与L 的电阻值相同
2
D.图2中,闭合S 瞬间,L 中电流与变阻器R中电流相等
2 2
答案 C 本题考查自感现象的判断。在图1中断开S 瞬间,灯A 突然闪亮,说明断开S
1 1 1
前,L 中的电流大于A 中的电流,故L 的阻值小于A 的阻值,A、B选项均错误;在图2中,
1 1 1 1
闭合S 瞬间,由于L 的自感作用,通过L 的电流很小,D错误;闭合S 后,最终A 与A 亮度
2 2 2 2 2 3
相同,说明两支路电流相等,故R与L 的阻值相同,C项正确。
2
19.(2015课标Ⅰ,19,6分)(多选)1824年,法国科学家阿拉果完成了著名的“圆盘实验”。
实验中将一铜圆盘水平放置,在其中心正上方用柔软细线悬挂一枚可以自由旋转的磁针,
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如图所示。实验中发现,当圆盘在磁针的磁场中绕过圆盘中心的竖直轴旋转时,磁针也随
着一起转动起来,但略有滞后。下列说法正确的是( )
A.圆盘上产生了感应电动势
B.圆盘内的涡电流产生的磁场导致磁针转动
C.在圆盘转动的过程中,磁针的磁场穿过整个圆盘的磁通量发生了变化
D.圆盘中的自由电子随圆盘一起运动形成电流,此电流产生的磁场导致磁针转动
答案
AB 如图所示,将铜圆盘等效为无数个长方形线圈的组合,则每个线圈绕OO'轴转动时,
均有感应电流产生,这些感应电流产生的磁场对小磁针有作用力,从而使小磁针转动起来,
可见A、B均正确。由于圆盘面积不变,与磁针间的距离不变,故整个圆盘中的磁通量没
有变化,C错误。圆盘中的自由电子随圆盘一起运动形成的电流的磁场,由安培定则可判
断在中心方向竖直向下,其他位置关于中心对称,此磁场不会导致磁针转动,D错误。
20.(2015山东理综,17,6分)(多选)如图,一均匀金属圆盘绕通过其圆心且与盘面垂直的轴
逆时针匀速转动。现施加一垂直穿过圆盘的有界匀强磁场,圆盘开始减速。在圆盘减速
过程中,以下说法正确的是( )
A.处于磁场中的圆盘部分,靠近圆心处电势高
B.所加磁场越强越易使圆盘停止转动
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C.若所加磁场反向,圆盘将加速转动
D.若所加磁场穿过整个圆盘,圆盘将匀速转动
答案 ABD 根据右手定则,处于磁场中的圆盘部分,感应电流从靠近圆盘边缘处流向靠
B2l2v
近圆心处,故靠近圆心处电势高,A正确;安培力F= 中,磁场越强,安培力越大,B正确;
R
磁场反向时,安培力仍是阻力,C错误;若所加磁场穿过整个圆盘,则磁通量不再变化,没有
感应电流,安培力为零,故圆盘不受阻力作用,将匀速转动,D正确。
21.(2014广东理综,15,4分)如图所示,上下开口、内壁光滑的铜管P和塑料管Q竖直放置,
小磁块先后在两管中从相同高度处由静止释放,并落至底部,则小磁块( )
A.在P和Q中都做自由落体运动
B.在两个下落过程中的机械能都守恒
C.在P中的下落时间比在Q中的长
D.落至底部时在P中的速度比在Q中的大
答案 C 小磁块在铜管中下落时,由于电磁阻尼作用,不做自由落体运动,机械能不守恒,
而在塑料管中不受阻力作用而做自由落体运动,机械能守恒,因此在P中下落得慢,用时长,
到达底端速度小,C项正确,A、B、D错误。
22.(2019课标Ⅲ,19,6分)(多选)如图,方向竖直向下的匀强磁场中有两根位于同一水平面
内的足够长的平行金属导轨,两相同的光滑导体棒ab、cd静止在导轨上。t=0时,棒ab以
初速度v 向右滑动。运动过程中,ab、cd始终与导轨垂直并接触良好,两者速度分别用
0
v 、v 表示,回路中的电流用I表示。下列图像中可能正确的是( )
1 2
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答案 AC 本题考查法拉第电磁感应定律与图像结合的问题,难度较大,要求学生具有
较强的综合分析能力,很好地体现了科学思维的学科核心素养。
由楞次定律可知ab棒做减速运动,cd棒做加速运动,即v 减小,v 增加。回路中的感应电
1 2
E BL(v -v )
动势E=BL(v -v ),回路中的电流I= = 1 2 ,回路中的导体棒ab、cd的加速度大
1 2 R R
F BIL B2L2(v -v )
小均为a= = = 1 2 ,由于v -v 减小,可知a减小,所以ab与cd的v-t图线
m m mR 1 2
斜率的绝对值减小,I也非线性减小,所以A、C正确,B、D错误。
23.(2018课标Ⅲ,20,6分)(多选)如图(a),在同一平面内固定有一长直导线PQ和一导线框
R,R在PQ的右侧。导线PQ中通有正弦交流电i,i的变化如图(b)所示,规定从Q到P为
电流正方向。导线框R中的感应电动势 (
)
T
A.在t= 时为零
4
T
B.在t= 时改变方向
2
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T
C.在t= 时最大,且沿顺时针方向
2
D.在t=T时最大,且沿顺时针方向
T
答案 AC 本题考查楞次定律的应用及法拉第电磁感应定律。由i-t图像可知,在t=
4
Δi ΔΦ
时, =0,此时穿过导线框R的磁通量的变化率 =0,由法拉第电磁感应定律可知,此时
Δt Δt
T Δi ΔΦ
导线框R中的感应电动势为0,选项A正确;同理在t= 和t=T 时, 为最大值, 为最
2 Δt Δt
T
大值,导线框R中的感应电动势为最大值,不改变方向,选项B错误;根据楞次定律,t= 时,
2
导线框R中的感应电动势的方向为顺时针方向,而t=T时,导线框R中的感应电动势的方
向为逆时针方向,选项C正确,选项D错误。
一题多解 当导线PQ中电流变大时,穿过导线框R的磁通量变大,由楞次定律可知,为阻
碍磁通量变大,R有向右的运动趋势,根据两直导线电流同向相吸,异向相斥,可判断R中
的电流方向。同理,可判断当导线PQ中电流变小时导线框R中的电流方向。
24.(2016四川理综,7,6分)(多选)如图所示,电阻不计、间距为l的光滑平行金属导轨水平
放置于磁感应强度为B、方向竖直向下的匀强磁场中,导轨左端接一定值电阻R。质量
为m、电阻为r的金属棒MN置于导轨上,受到垂直于金属棒的水平外力F的作用由静
止开始运动,外力F与金属棒速度v的关系是F=F +kv(F 、k是常量),金属棒与导轨始终
0 0
垂直且接触良好。金属棒中感应电流为i,受到的安培力大小为F ,电阻R两端的电压为
A
U ,感应电流的功率为P,它们随时间t变化图像可能正确的有( )
R
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Blv
答案 BC 金属棒MN相当于电源,其感应电动势E=Blv,感应电流I= 即I∝v
R+r
B2l2v
F =BIl= 即:F ∝v
A R+r A
Blv
U =IR= R 即:U ∝v
R R+r R
B2l2v2
P=IE= 即:P∝v2
R+r
对金属棒MN:F-F =ma
A
B2l2
F +kv- v=ma
0 R+r
(
B2l2
)
F + k- v=ma
0 R+r
B2l2
若k- >0,随着v增大,a也增大,棒做加速度增大的加速运动,B项正确。
R+r
B2l2
若k- <0,随着v增大,a减小,棒做加速度减小的加速运动,当a=0时,v达到最大后保
R+r
持不变,C项正确,A项错误。
B2l2 F
若k- =0,则a= 0,金属棒做匀加速运动
R+r m
B2l2a2
则v=at,P=IE= t2,D项错误。
R+r
方法技巧 先分别得出I、F 、U 、P与v的关系,然后对棒MN受力分析,由牛顿第二
A R
定律列方程,最后分情况讨论棒MN的运动情况,根据各量与v的关系讨论得各量与时间
的关系图像。
25.(2014大纲全国,20,6分)很多相同的绝缘铜圆环沿竖直方向叠放,形成一很长的竖直圆
筒。一条形磁铁沿圆筒的中心轴竖直放置,其下端与圆筒上端开口平齐。让条形磁铁从
静止开始下落。条形磁铁在圆筒中的运动速率( )
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A.均匀增大 B.先增大,后减小
C.逐渐增大,趋于不变 D.先增大,再减小,最后不变
答案 C 对磁铁受力分析可知,磁铁重力不变,磁场力随速率的增大而增大,当重力等于
磁场力时,磁铁匀速下落,所以选C。
26.(2015安徽理综,19,6分)如图所示,abcd为水平放置的平行“ ”形光滑金属导轨,间距
为l,导轨间有垂直于导轨平面的匀强磁场,磁感应强度大小为B,导轨电阻不计。已知金
属杆MN倾斜放置,与导轨成θ角,单位长度的电阻为r,保持金属杆以速度v沿平行于cd
的方向滑动(金属杆滑动过程中与导轨接触良好)。则( )
Blv
A.电路中感应电动势的大小为
sinθ
Bvsinθ
B.电路中感应电流的大小为
r
B2lvsinθ
C.金属杆所受安培力的大小为
r
B2lv2
D.金属杆的热功率为
rsinθ
答案 B 金属杆MN切割磁感线的有效长度为l,产生的感应电动势E=Blv,A错误;金属
rl E Blvsinθ Bvsinθ
杆MN的有效电阻R= ,故回路中的感应电流I= = = ,B正确;金属
sinθ R rl r
第33页共70页北京曲一线图书策划有限公司 5年高考3年模拟 A版 物理
BIl Bl Bvsinθ B2lv
杆受到的安培力F= = · = ,C错误;金属杆的热功率P=I2R=
sinθ sinθ r r
B2v2 sin2θ rl B2v2 sinθ·l
· = ,D错误。
r2 sinθ r
27.(2017湖北“六校联合体”4月联考,4)如图所示,两条电阻不计的平行导轨与水平面成
θ角,导轨的一端连接定值电阻R ,匀强磁场垂直穿过导轨平面,一根质量为m、电阻为R
1 2
的导体棒ab,垂直于导轨放置,导体棒与导轨之间的动摩擦因数为μ,且R =nR ,如果导体
2 1
棒以速度v匀速下滑,导体棒此时受到的安培力大小为F,则以下判断正确的是( )
A.电阻R 消耗的电功率为Fv/n
1
B.重力做功的功率为mgv cos θ
C.运动过程中减少的机械能全部转化为电能
D.R 上消耗的功率为nFv/(n+1)
2
E
答案 D 导体棒以速度v匀速下滑时,由E=BLv、I= 、F=BIL得安培力F=
R +R
1 2
B2L2v B2L2v2
①,电阻R 消耗的热功率为P=I2R = R ②,又R =nR ③,联立①②③解
R +R 1 1 (R +R )2 1 2 1
1 2 1 2
Fv
得,P= ,故A错误;重力做功的功率为mgv sin θ,B错误;导体棒克服安培力和摩擦力做
n+1
功,减少的机械能转化为电能和内能,C错误;R 和R 串联,电流相等,根据P=I2R可知,R 消
2 1 2
耗的功率等于R 消耗的功率的n倍,为nFv/(n+1),D正确;故选D。
1
28.(2014福建理综,18,6分)如图,两根相同的轻质弹簧,沿足够长的光滑斜面放置,下端固
定在斜面底部挡板上,斜面固定不动。质量不同、形状相同的两物块分别置于两弹簧上
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端。现用外力作用在物块上,使两弹簧具有相同的压缩量;若撤去外力后,两物块由静止
沿斜面向上弹出并离开弹簧,则从撤去外力到物块速度第一次减为零的过程,两物块(
)
A.最大速度相同 B.最大加速度相同
C.上升的最大高度不同 D.重力势能的变化量不同
答案 C 图为物块能向上弹出且离开弹簧,则物块在刚撤去外力时加速度最大,由牛顿
kx
第二定律得:kx-mg sin θ=ma,即a= -g sin θ,由于两物块k、x、θ均相同,m不同,则a不
m
mgsinθ
同,B错误。当mg sin θ=kx 即x = 时,速度最大,如图,设两物块质量m <m ,其平
0 0 k 1 2
衡位置分别为O 、O ,初始位置为O,则从O至O 的过程中,由W -W =E 及题意知,W
1 2 2 弹 G k 弹
相同,W <W ,故E >E ,即v >v ,而此时m 的速度v 已达最大,此后,m 的速度将继续增
G1 G2 k1 k2 1 2 2 2 1
大直至最大,而m 的速度将减小,故一定是质量小的最大速度大,A错误。从开始运动至
2
最高点,由E =mgh及题意知重力势能的变化量ΔE =mgh相同,m不同,h也不同,故C正确,
p p
D错误。
29.(2014安徽理综,20,6分)英国物理学家麦克斯韦认为,磁场变化时会在空间激发感生电
场。如图所示,一个半径为r的绝缘细圆环水平放置,环内存在竖直向上的匀强磁场B,环
上套一带电荷量为+q的小球。已知磁感应强度B随时间均匀增加,其变化率为k,若小球
在环上运动一周,则感生电场对小球的作用力所做功的大小是( )
第35页共70页北京曲一线图书策划有限公司 5年高考3年模拟 A版 物理
1
A.0 B. r2qk C.2πr2qk D.πr2qk
2
ΔΦ ΔB
答案 D 变化的磁场使回路中产生的感生电动势E= = ·S=kπr2,则感生电场对小
Δt Δt
球的作用力所做的功W=qU=qE=πr2qk,选项D正确。
本题考查麦克斯韦理论,即变化的磁场在空间激发电场。解答此题的关键是由法拉第电
磁感应定律确定出感生电动势,试题难度中等,虽源于教材,但易失分。
30.(2022全国乙,24,12分)如图,一不可伸长的细绳的上端固定,下端系在边长为l=0.40 m
的正方形金属框的一个顶点上。金属框的一条对角线水平,其下方有方向垂直于金属框
所在平面的匀强磁场。已知构成金属框的导线单位长度的阻值为λ=5.0×10-3 Ω/m;在t=0
到t=3.0 s时间内,磁感应强度大小随时间t的变化关系为B(t)=0.3-0.1t(SI)。求
(1)t=2.0 s时金属框所受安培力的大小;
(2)在t=0到t=2.0 s时间内金属框产生的焦耳热。
答案 (1)0.057 N (2)0.016 J
|ΔΦ| |ΔB·S| |ΔB| l2
解析 (1)对正方形金属框分析,由法拉第电磁感应定律得E= = = × ,
Δt Δt Δt 2
|ΔB| E
由B(t)=0.3-0.1t(SI),知 =0.1 T/s,由闭合电路欧姆定律知I= ,其中R=4lλ,当t=2.0 s时,
Δt R
B=0.3-0.1×2.0(T)=0.1 T,金属框所受安培力大小F=BIl',其中l'=√2l,代入数据解得F≈0.057
N。
E
(2)根据焦耳定律有Q=I2Rt,其中R=4λl=8×10-3 Ω,0~2.0 s内电流恒定,I= =1 A,代入数据
R
解得Q=0.016 J。
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误区警示 在计算感生电动势时,注意金属框只有一半面积处于磁场中;在计算安培力大
小时,注意金属框的有效长度。
31.(2022重庆,13,12分)某同学以金属戒指为研究对象,探究金属物品在变化磁场中的热
效应。如图所示,戒指可视为周长为L、横截面积为S、电阻率为ρ的单匝圆形线圈,放
置在匀强磁场中,磁感应强度方向垂直于戒指平面。若磁感应强度大小在Δt时间内从0
均匀增加到B ,求:
0
(1)戒指中的感应电动势和电流;
(2)戒指中电流的热功率。
B L2 B LS B2L3S
答案 (1) 0 0 (2) 0
4πΔt 4π ρΔt 16π2ρ(Δt) 2
解析 (1)设戒指的半径为r,则有L=2πr
B
磁感应强度大小在Δt时间内从0均匀增加到B ,产生的感应电动势为E= 0·πr2
0 Δt
B L2
可得E= 0
4πΔt
ρL
戒指的电阻R=
S
E B LS
则戒指中的感应电流I= = 0
R 4π ρΔt
B2L3S
(2)戒指中电流的热功率P=I2R= 0
16π2ρ(Δt) 2
32.(2022浙江6月选考,21,10分)舰载机电磁弹射是现代航母最先进的弹射技术,我国在
这一领域已达到世界先进水平。某兴趣小组开展电磁弹射系统的设计研究,如图1所示,
第37页共70页北京曲一线图书策划有限公司 5年高考3年模拟 A版 物理
用于推动模型飞机的动子(图中未画出)与线圈绝缘并固定,线圈带动动子,可在水平导轨
上无摩擦滑动。线圈位于导轨间的辐向磁场中,其所在处的磁感应强度大小均为B。开
关S与1接通,恒流源与线圈连接,动子从静止开始推动飞机加速,飞机达到起飞速度时与
动子脱离;此时S掷向2接通定值电阻R ,同时施加回撤力F,在F和磁场力作用下,动子
0
恰好返回初始位置停下。若动子从静止开始至返回过程的v-t图如图2所示,在t 至t 时
1 3
间内F=(800-10v) N,t 时撤去F。已知起飞速度v =80 m/s,t =1.5 s,线圈匝数n=100匝,每
3 1 1
匝周长l=1 m,动子和线圈的总质量m=5 kg,飞机质量M=10 kg,R =9.5 Ω,B=0.1 T,不计空
0
气阻力和飞机起飞对动子运动速度的影响,求
(1)恒流源的电流I;
(2)线圈电阻R;
(3)时刻t 。
3
√5+3
答案 (1)80 A (2)0.5 Ω (3) s
2
v
1
解析 (1)安培力F =nBIl=(M+m)a a=
安 t
1
(m+M)a
I= =80 A
nlB
nBlv
(2)感应电流I'=
R +R
0
第38页共70页北京曲一线图书策划有限公司 5年高考3年模拟 A版 物理
F '=nBlI'
安
由牛顿第二定律有F+F '=ma'
安
n2l2B2
即(800-10v)+ v=ma'
R +R
0
在t 至t 期间加速度恒定,速度v时刻变化,则
1 3
n2l2B2
应要求 =10 kg·s-1、ma'=800 N,
R +R
0
解得R=0.5 Ω、a'=160 m/s2
v
(3)t -t = 1=0.5 s
2 1
a'
1
t 时刻动子前进位移s= t v =80 m
2 2 2 1
t 时刻动子到初始位置的距离
3
1
s'=s- a'(t -t )2
2 3 2
从t 至动子返回初始位置,
3
由动量定理得-F ″Δt=0-mv ,
安 3
F ″=nBlIΔt=nBlΔq,
安
故有-nBlΔq=0-ma'(t -t )[或nBlΔq=ma'(t -t )]
3 2 3 2
感应电荷量
[ 1 ]
E nΔΦ nBΔs nBl s- a'(t -t ) 2
Δq=IΔt= Δt= = = 2 3 2
R+R R+R R+R
0 0 0 R+R
0
代入数据得(t -t )2+(t -t )-1 s=0
3 2 3 2
√5+3
解得t = s
3 2
33.(2022浙江1月选考,21,10分)如图所示,水平固定一半径r=0.2 m的金属圆环,长均为
r、电阻均为R 的两金属棒沿直径放置,其中一端与圆环接触良好,另一端固定在过圆心
0
的导电竖直转轴OO'上,并随轴以角速度ω=600 rad/s匀速转动,圆环内左半圆均存在磁感
第39页共70页北京曲一线图书策划有限公司 5年高考3年模拟 A版 物理
应强度大小为B 的匀强磁场。圆环边缘、与转轴良好接触上下垂直的电刷分别与间距
1
l 的水平放置的平行金属轨道相连,轨道间接有电容C=0.09 F的电容器,通过单刀双掷开
1
关S可分别与接线柱1、2相连。电容器左侧有宽度也为l 、长度为l 、磁感应强度大
1 2
小为B 的匀强磁场区域。在磁场区域内靠近左侧边缘处垂直轨道放置金属棒ab,磁场区
2
域外有间距也为l 的绝缘轨道与金属轨道平滑连接,在绝缘轨道的水平段上放置“[”形
1
金属框fcde。棒ab长度和“[”形框的宽度也均为l 、质量均为m=0.01 kg,de与cf长度
1
均为l =0.08 m,已知l =0.25 m, l =0.068 m,B =B =1 T、方向均为竖直向上;棒ab和“[”形
3 1 2 1 2
框的cd边的电阻均为R=0.1 Ω,除已给电阻外其他电阻不计,轨道均光滑,棒ab与轨道接
触良好且运动过程中始终与轨道垂直。开始时开关S和接线柱1接通,待电容器充电完
毕后,将S从1拨到2,电容器放电,棒ab被弹出磁场后与“[”形框粘在一起形成闭合框
abcd,此时将S与2断开,已知框abcd在倾斜轨道上重心上升0.2 m后返回进入磁场。
g=10 m/s2。
(1)求电容器充电完毕后所带的电荷量Q,哪个极板(M或N)带正电?
(2)求电容器释放的电荷量ΔQ;
(3)求框abcd进入磁场后,ab边与磁场区域左边界的最大距离x。
答案 见解析
1
解析 (1)金属棒在圆环上磁场区域内转动切割磁感线,故有E= B ωr2
2 1
电容器充电时的等效电路图如图所示。
E
则电容器所带电荷量Q=CU=C
2
代入数据得Q=0.54 C,且M板带正电
(2)根据动量定理,设ab棒弹出磁场时的速度为v ,则有B l IΔt=mv -0,即B l ΔQ=mv
2 2 1 1 21 1
第40页共70页北京曲一线图书策划有限公司 5年高考3年模拟 A版 物理
ab棒与“[”形框结合过程动量守恒,有
mv =(m+m)v
1 2
1
“[”形框abcd在倾斜轨道上上升h时,根据机械能守恒有
×2mv2
=2mgh
2 2
2m
由上述各式联立解得ΔQ= √2gh=0.16 C
B l
2 1
B l v
(3)导体框在磁场中做减速运动过程中,根据动量定理可得B Il Δt=B 2 1 l Δt=2mv ,且
2 1 2 2R 1 2
Δx=vΔt
B2l2Δx
则 2 1 =2mv ,解得Δx=0.128 m
2
2R
匀速运动距离为l -l =0.012 m
3 2
ab边离磁场左边界最大,则最大距离
x=Δx+l -l =0.14 m
3 2
34.(2016天津理综,12,20分)电磁缓速器是应用于车辆上以提高运行安全性的辅助制动装
置,其工作原理是利用电磁阻尼作用减缓车辆的速度。电磁阻尼作用可以借助如下模型
讨论:如图所示,将形状相同的两根平行且足够长的铝条固定在光滑斜面上,斜面与水平
方向夹角为θ。一质量为m的条形磁铁滑入两铝条间,恰好匀速穿过,穿过时磁铁两端面
与两铝条的间距始终保持恒定,其引起电磁感应的效果与磁铁不动、铝条相对磁铁运动
相同。磁铁端面是边长为d的正方形,由于磁铁距离铝条很近,磁铁端面正对两铝条区域
的磁场均可视为匀强磁场,磁感应强度为B,铝条的高度大于d,电阻率为ρ。为研究问题
方便,铝条中只考虑与磁铁正对部分的电阻和磁场,其他部分电阻和磁场可忽略不计,假设
磁铁进入铝条间以后,减少的机械能完全转化为铝条的内能,重力加速度为g。
(1)求铝条中与磁铁正对部分的电流I;
(2)若两铝条的宽度均为b,推导磁铁匀速穿过铝条间时速度v的表达式;
(3)在其他条件不变的情况下,仅将两铝条更换为宽度b'>b的铝条,磁铁仍以速度v进入铝
条间,试简要分析说明磁铁在铝条间运动时的加速度和速度如何变化。
第41页共70页北京曲一线图书策划有限公司 5年高考3年模拟 A版 物理
mgsinθ
答案 (1) (2)见解析 (3)见解析
2Bd
解析 (1)磁铁在铝条间运动时,两根铝条受到的安培力大小相等均为F ,有
安
F =IdB①
安
磁铁受到沿斜面向上的作用力为F,其大小有
F=2F ②
安
磁铁匀速运动时受力平衡,则有
F-mg sin θ=0③
联立①②③式可得
mgsinθ
I= ④
2Bd
(2)磁铁穿过铝条时,在铝条中产生的感应电动势为E,有
E=Bdv⑤
铝条与磁铁正对部分的电阻为R,由电阻定律有
d
R=ρ ⑥
db
由欧姆定律有
E
I= ⑦
R
联立④⑤⑥⑦式可得
第42页共70页北京曲一线图书策划有限公司 5年高考3年模拟 A版 物理
ρmgsinθ
v= ⑧
2B2d2b
(3)磁铁以速度v进入铝条间,恰好做匀速运动时,磁铁受到沿斜面向上的作用力F,联立
①②⑤⑥⑦式可得
2B2d2bv
F= ⑨
ρ
当铝条的宽度b'>b时,磁铁以速度v进入铝条间时,磁铁受到的作用力变为F',有
2B2d2b'v
F'= ⑩
ρ
可见,F'>F=mg sin θ,磁铁所受到的合力方向沿斜面向上,获得与运动方向相反的加速度,
磁铁将减速下滑,此时加速度最大。之后,随着运动速度减小,F'也随着减小,磁铁所受的合
力也减小,由于磁铁加速度与所受到的合力成正比,磁铁的加速度逐渐减小。综上所述,磁
铁做加速度逐渐减小的减速运动。直到F'=mg sin θ时,磁铁重新达到平衡状态,将再次以
较小的速度匀速下滑。
解题指导 明确题中所构建的物理模型是解本题的关键。另外要注意的是:两边铝条对
磁铁均有电磁阻力,且阻力相同。对于(3)中磁铁运动过程的分析,可类比我们熟悉的情景:
导体棒沿倾斜的平行金属导轨下滑。
方法技巧 当遇到崭新的物理情景时,可以把它与我们熟悉的情景进行分析对比,找出共
同点与不同点,采用类比的方法解题,就容易突破难点。
35.(2015广东理综,35,18分)如图(a)所示,平行长直金属导轨水平放置,间距L=0.4 m。导
轨右端接有阻值R=1 Ω的电阻。导体棒垂直放置在导轨上,且接触良好。导体棒及导轨
的电阻均不计。导轨间正方形区域abcd内有方向竖直向下的匀强磁场,b、d连线与导轨
垂直,长度也为L。从0时刻开始,磁感应强度B的大小随时间t变化,规律如图(b)所示;同
一时刻,棒从导轨左端开始向右匀速运动,1 s后刚好进入磁场。若使棒在导轨上始终以
速度v=1 m/s 做直线运动,求:
(1)棒进入磁场前,回路中的电动势E;
(2)棒在运动过程中受到的最大安培力F,以及棒通过三角形abd区域时电流i与时间t的
关系式。
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(a)
(b)
答案 (1)0.04 V
(2)0.04 N i=t-1(1 s≤t≤1.2 s)
ΔB
解析 (1)由图(b)可知0~1.0 s内B的变化率 =0.5 T/s①
Δt
正方形磁场区域的面积
( L ) 2
S= =0.08 m2②
√2
棒进入磁场前0~1.0 s内回路中的感应电动势
ΔΦ SΔB
E= = ③
Δt Δt
由①②③得E=0.08×0.5 V=0.04 V
(2)当棒通过bd位置时,有效切割长度最大,感应电流最大,棒受到最大安培力
F=BIL④
棒过bd时的感应电动势
E =BLv=0.5×0.4×1 V=0.2 V⑤
m
棒过bd时的电流
E
I= m ⑥
R
由④⑤⑥得
F=0.04 N
棒通过a点后在三角形abd区域中的有效切割长度L'与时间t的关系:
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L'=2v(t-1),其中t的取值范围为1 s≤t≤1.2 s⑦
电流i与时间t的关系式
BL'v 2Bv2(t-1)
i= = =t-1(1 s≤t≤1.2 s)⑧
R R
36.(2015江苏单科,13,15分)做磁共振(MRI)检查时,对人体施加的磁场发生变化时会在肌
肉组织中产生感应电流。某同学为了估算该感应电流对肌肉组织的影响,将包裹在骨骼
上的一圈肌肉组织等效成单匝线圈,线圈的半径r=5.0 cm,线圈导线的截面积A=0.80 cm2,
电阻率ρ=1.5 Ω·m。如图所示,匀强磁场方向与线圈平面垂直,若磁感应强度B在0.3 s内
从1.5 T均匀地减为零,求:(计算结果保留一位有效数字)
(1)该圈肌肉组织的电阻R;
(2)该圈肌肉组织中的感应电动势E;
(3)0.3 s内该圈肌肉组织中产生的热量Q。
答案 (1)6×103 Ω (2)4×10-2 V (3)8×10-8 J
2πr
解析 (1)由电阻定律得R=ρ ,代入数据得R=6×103 Ω
A
ΔB·πr2
(2)感应电动势E= ,代入数据得E=4×10-2 V
Δt
E2
(3)由焦耳定律得Q= Δt,代入数据得Q=8×10-8 J
R
本题考查了电阻定律、法拉第电磁感应定律和电功三个方面的内容,模型已构建好,主要
考查基本规律的简单应用,属于中等难度题。
学习指导 考生在本题中出现的错误主要有以下几方面:①不理解公式中各字母的含义,
乱套公式;②单位换算错误;③未按有效数字的要求表达结果;④运算结果错误。由以上
种种错误可见,学习过程中不仅要牢记公式,更重要的是要理解式中各字母的物理意义;
解题过程中要细心、细心、再细心!
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37.(2014课标Ⅱ,25,19分)半径分别为r和2r的同心圆形导轨固定在同一水平面内,一长
为r、质量为m且质量分布均匀的直导体棒AB置于圆导轨上面,BA的延长线通过圆导
轨中心O,装置的俯视图如图所示。整个装置位于一匀强磁场中,磁感应强度的大小为B,
方向竖直向下。在内圆导轨的C点和外圆导轨的D点之间接有一阻值为R的电阻(图中
未画出)。直导体棒在水平外力作用下以角速度ω绕O逆时针匀速转动,在转动过程中始
终与导轨保持良好接触。设导体棒与导轨之间的动摩擦因数为μ,导体棒和导轨的电阻
均可忽略。重力加速度大小为g。求
(1)通过电阻R的感应电流的方向和大小;
(2)外力的功率。
解析 解法一 (1)在Δt时间内,导体棒扫过的面积为
1
ΔS= ωΔt[(2r)2-r2]①
2
根据法拉第电磁感应定律,导体棒上感应电动势的大小为
BΔS
ε= ②
Δt
根据右手定则,感应电流的方向是从B端流向A端。因此,通过电阻R的感应电流的方向
是从C端流向D端。由欧姆定律可知,通过电阻R的感应电流的大小I满足
ε
I= ③
R
联立①②③式得
3ωBr2
I= ④
2R
(2)解法一 在竖直方向有
mg-2N=0⑤
式中,由于质量分布均匀,内、外圆导轨对导体棒的正压力大小相等,其值为N。两导轨对
运行的导体棒的滑动摩擦力均为
f=μN⑥
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在Δt时间内,导体棒在内、外圆导轨上扫过的弧长分别为
l =rωΔt⑦
1
和
l =2rωΔt⑧
2
克服摩擦力做的总功为
W=f(l +l )⑨
f 1 2
在Δt时间内,消耗在电阻R上的功为
W =I2RΔt⑩
R
根据能量转化和守恒定律知,外力在Δt时间内做的功为
W=W+W
f R
外力的功率为
W
P=
Δt
由④至 式得
3 9ω2B2r4
P= μmgωr+
2 4R
3ωBr2 3 9ω2B2r4
答案 (1)方向:由C端到D端 大小: (2) μmgωr+
2R 2 4R
解题思路 (1)由法拉第电磁感应定律求解感应电动势的大小,再由欧姆定律求出电流,由
右手定则判断电流方向。
(2)根据能量转化和守恒定律知外力做的功等于电阻R上产生的热量和摩擦力做功之和。
ωr+ω·2r 3
一题多解 (1)解法二 ε=Br v =Br = Br2ω
2 2
ε 3Br2ω
I= =
R 2R
由右手定则判得通过R的感应电流从C→D
解法三 取Δt=T
B(π·4r2-π·r2)
B·ΔS 3
ε= = 2π = Br2ω
Δt 2
ω
ε 3Br2ω
I= =
R 2R
由右手定则判得通过R的感应电流从C→D
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(2)解法二 由能量守恒
P=P +P
R f
1 1
在竖直方向2N=mg,则N= mg,得f=μN= μmg
2 2
1 1 3
P= μmgωr+ μmg·ω·2r= μmgωr
f 2 2 2
9B2r4ω2
P =I2R=
R
4R
3 9B2ω2r4
所以P= μmgωr+
2 4R
38.(2017北京理综,24,20分)发电机和电动机具有装置上的类似性,源于它们机理上的类
似性。直流发电机和直流电动机的工作原理可以简化为如图1、图2所示的情景。
在竖直向下的磁感应强度为B的匀强磁场中,两根光滑平行金属轨道MN、PQ固定在水
平面内,相距为L,电阻不计。电阻为R的金属导体棒ab垂直于MN、PQ放在轨道上,与
轨道接触良好,以速度v(v平行于MN)向右做匀速运动。
图1轨道端点M、P间接有阻值为r的电阻,导体棒ab受到水平向右的外力作用。图2
轨道端点M、P间接有直流电源,导体棒ab通过滑轮匀速提升重物,电路中的电流为I。
(1)求在Δt时间内,图1“发电机”产生的电能和图2“电动机”输出的机械能。
(2)从微观角度看,导体棒ab中的自由电荷所受洛伦兹力在上述能量转化中起着重要作用。
为了方便,可认为导体棒中的自由电荷为正电荷。
a.请在图3(图1的导体棒ab)、图4(图2的导体棒ab)中,分别画出自由电荷所受洛伦兹力
的示意图。
b.我们知道,洛伦兹力对运动电荷不做功。那么,导体棒ab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?请以图2“电动机”为例,通过计算分析说明。
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答案 见解析
解析 本题考查发电机和电动机的机理分析、洛伦兹力的方向及其在能量转化中的作
用。
BLv
(1)图1中,电路中的电流I =
1 R+r
棒ab受到的安培力F =BI L
1 1
在Δt时间内,“发电机”产生的电能等于棒ab克服安培力做的功
B2L2v2Δt
E =F ·vΔt=
电 1 R+r
图2中,棒ab受到的安培力F =BIL
2
在Δt时间内,“电动机”输出的机械能等于安培力对棒ab做的功
E =F ·vΔt=BILvΔt
机 2
(2)a.如图甲、乙所示。
b.设自由电荷的电荷量为q,沿导体棒定向移动的速率为u。
如图乙所示,沿棒方向的洛伦兹力f '=qvB,做负功
1
W =-f '·uΔt=-qvBuΔt
1 1
垂直棒方向的洛伦兹力f '=quB,做正功
2
W =f '·vΔt=quBvΔt
2 2
所以W =-W ,即导体棒中一个自由电荷所受的洛伦兹力做功为零。
1 2
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f '做负功,阻碍自由电荷的定向移动,宏观上表现为“反电动势”,消耗电源的电能;f '做正
1 2
功,宏观上表现为安培力做正功,使机械能增加。大量自由电荷所受洛伦兹力做功的宏观
表现是将电能转化为等量的机械能,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。
疑难突破 洛伦兹力的做功及其作用
在“发电机”模型中,外力促使导体棒做切割磁感线运动时,棒中自由电荷随棒运动,从而
会受到沿棒方向的洛伦兹力,表现为“电源中的非静电力”,这一力做正功,起到了使其他
形式能量向电能转化的作用;在“电动机”模型中,外电源使导体棒中产生电场,在电场
力作用下,导体棒中的自由电荷沿棒运动,从而受到垂直于棒方向的洛伦兹力,宏观上表现
为“导体棒受到的安培力”,这一力做正功,起到了使电能向其他形式能量转化的作用。
39.(2016课标Ⅲ,25,20分)如图,两条相距l的光滑平行金属导轨位于同一水平面(纸面)内,
其左端接一阻值为R的电阻;一与导轨垂直的金属棒置于两导轨上;在电阻、导轨和金属
棒中间有一面积为S的区域,区域中存在垂直于纸面向里的均匀磁场,磁感应强度大小B
1
随时间t的变化关系为B =kt,式中k为常量;在金属棒右侧还有一匀强磁场区域,区域左
1
边界MN(虚线)与导轨垂直,磁场的磁感应强度大小为B ,方向也垂直于纸面向里。某时
0
刻,金属棒在一外加水平恒力的作用下从静止开始向右运动,在t 时刻恰好以速度v 越过
0 0
MN,此后向右做匀速运动。金属棒与导轨始终相互垂直并接触良好,它们的电阻均忽略
不计。求
(1)在t=0到t=t 时间间隔内,流过电阻的电荷量的绝对值;
0
(2)在时刻t(t>t )穿过回路的总磁通量和金属棒所受外加水平恒力的大小。
0
kt S B l
答案 (1) 0 (2)B lv (t-t )+kSt (B lv +kS) 0
R 0 0 0 0 0 R
解析 (1)在金属棒越过MN之前,t时刻穿过回路的磁通量为Φ=ktS①
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设在从t时刻到t+Δt的时间间隔内,回路磁通量的变化量为ΔΦ,流过电阻R的电荷量为
ΔΦ
Δq。由法拉第电磁感应定律有ε=- ②
Δt
ε
由欧姆定律有i= ③
R
Δq
由电流的定义有i= ④
Δt
kS
联立①②③④式得|Δq|= Δt⑤
R
由⑤式得,在t=0到t=t 的时间间隔内,流过电阻R的电荷量q的绝对值为
0
kt S
|q|= 0 ⑥
R
(2)当t>t 时,金属棒已越过MN。由于金属棒在MN右侧做匀速运动,有f=F⑦
0
式中,f是外加水平恒力,F是匀强磁场施加的安培力。设此时回路中的电流为I,F的大小
为
F=B lI⑧
0
此时金属棒与MN之间的距离为s=v (t-t )⑨
0 0
匀强磁场穿过回路的磁通量为Φ'=B ls⑩
0
回路的总磁通量为Φ=Φ+Φ'
t
式中,Φ仍如①式所示。由①⑨⑩ 式得,在时刻t(t>t )穿过回路的总磁通量为
0
Φ=B lv (t-t )+kSt
t 0 0 0
在t到t+Δt的时间间隔内,总磁通量的改变ΔΦ 为
t
ΔΦ=(B lv +kS)Δt
t 0 0
由法拉第电磁感应定律得,回路感应电动势的大小为
|ΔΦ |
ε= t
t
Δt
ε
由欧姆定律有I= t
R
B l
联立⑦⑧ 式得f=(B lv +kS) 0
0 0 R
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解题指导 (1)金属棒在0~t 时间内,由于圆形磁场中的磁通量变化而引起感应电动势,从
0
而形成感应电流,由电流的定义式可以求出流过电阻的电荷量的绝对值。
(2)当金属棒越过MN后,穿过回路的磁通量由两部分组成;再由法拉第电磁感应定律等知
识可以求出外加水平恒力的大小。
易错点拨 (1)在计算磁通量时,用的是左侧矩形面积,而不是圆形磁场面积,从而导致出
错。(2)当金属棒越过MN后计算磁通量时,得出的金属棒与MN的距离s=v t,从而导致
0
出错。
40.(2016上海单科,33,14分)如图,一关于y轴对称的导体轨道位于水平面内,磁感应强度
为B的匀强磁场与平面垂直。一足够长、质量为m的直导体棒沿x方向置于轨道上,在
外力F作用下从原点由静止开始沿y轴正方向做加速度为a的匀加速直线运动,运动时
棒与x轴始终平行。棒单位长度的电阻为ρ,与电阻不计的轨道接触良好,运动中产生的
3
热功率随棒位置的变化规律为P=k y2(SI)。求:
(1)导体轨道的轨道方程y=f(x);
(2)棒在运动过程中受到的安培力F 随y的变化关系;
m
(3)棒从y=0运动到y=L过程中外力F的功。
(4aB2 ) 2 k
答案 (1)y= x2 (2)F = y
kρ m √2a
k
(3) L2+maL
2√2a
B2(2x)2v
解析 (1)设棒运动到某一位置时与轨道接触点的坐标为(±x,y),安培力F =
m R
4B2x2v2
3
安培力的功率P=F m v= R =k y2
棒做匀加速运动
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v2=2ay
R=2ρx
(4aB2
)
2
代入前式得y= x2
kρ
轨道形状为抛物线。
4B2x2 2B2x
(2)安培力F = v= √2ay
m R ρ
以轨道方程代入得
k
F = y
m √2a
1
(3)由动能定理W=W + mv2
m 2
k
安培力做功W = L2
m 2√2a
1
棒在y=L处的动能为 mv2=maL
2
k
外力做功W= L2+maL
2√2a
41.(2015天津理综,11,18分)如图所示,“凸”字形硬质金属线框质量为m,相邻各边互相垂
直,且处于同一竖直平面内,ab边长为l,cd边长为2l,ab与cd平行,间距为2l。匀强磁场区
域的上下边界均水平,磁场方向垂直于线框所在平面。开始时,cd边到磁场上边界的距离
为2l,线框由静止释放,从cd边进入磁场直到ef、pq边进入磁场前,线框做匀速运动。在
ef、pq边离开磁场后,ab边离开磁场之前,线框又做匀速运动。线框完全穿过磁场过程中
产生的热量为Q。线框在下落过程中始终处于原竖直平面内,且ab、cd边保持水平,重力
加速度为g。求
第53页共70页北京曲一线图书策划有限公司 5年高考3年模拟 A版 物理
(1)线框ab边将离开磁场时做匀速运动的速度大小是cd边刚进入磁场时的几倍;
(2)磁场上下边界间的距离H。
Q
答案 (1)4倍 (2) +28l
mg
解析 (1)设磁场的磁感应强度大小为B,cd边刚进入磁场时,线框做匀速运动的速度为
v ,cd边上的感应电动势为E ,由法拉第电磁感应定律,有
1 1
E =2Blv ①
1 1
设线框总电阻为R,此时线框中电流为I ,由闭合电路欧姆定律,有
1
E
I = 1 ②
1
R
设此时线框所受安培力为F ,有
1
F =2I lB③
1 1
由于线框做匀速运动,其受力平衡,有
mg=F ④
1
由①②③④式得
mgR
v = ⑤
1 4B2l2
设ab边离开磁场之前,线框做匀速运动的速度为v ,同理可得
2
mgR
v = ⑥
2 B2l2
由⑤⑥式得
v =4v ⑦
2 1
(2)线框自释放直到cd边进入磁场前,由机械能守恒定律,有
1
2mgl= mv2 ⑧
2 1
线框完全穿过磁场的过程中,由能量守恒定律,有
1 1
mg(2l+H)= mv2- mv2+Q⑨
2 2 2 1
由⑦⑧⑨式得
Q
H= +28l⑩
mg
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42.(2015海南单科,13,10分)如图,两平行金属导轨位于同一水平面上,相距l,左端与一电
阻R相连;整个系统置于匀强磁场中,磁感应强度大小为B,方向竖直向下。一质量为m
的导体棒置于导轨上,在水平外力作用下沿导轨以速率v匀速向右滑动,滑动过程中始终
保持与导轨垂直并接触良好。已知导体棒与导轨间的动摩擦因数为μ,重力加速度大小
为g,导轨和导体棒的电阻均可忽略。求
(1)电阻R消耗的功率;
(2)水平外力的大小。
B2l2v2 B2l2v
答案 (1) (2) +μmg
R R
解析 解法一 导体棒匀速向右滑动,速率为v,则有
F=F +μmg
安
E=Blv
E
I=
R
F =BIl
安
B2l2v
解得F= +μmg
R
由能量守恒定律得
Fv=μmgv+P
R
B2l2v2
解得P =
R R
解法二 (1)导体棒切割磁感线产生的电动势
E=Blv
由于导轨与导体棒的电阻均可忽略,则R两端电压等于电动势:
U=E
则电阻R消耗的功率
U2
P =
R
R
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综合以上三式可得
B2l2v2
P =
R
R
(2)设水平外力大小为F,由能量守恒有
Fv=P +μmgv
R
P B2l2v
故得F= R+μmg= +μmg
v R
43.(2015四川理综,11,19分)如图所示,金属导轨MNC和PQD,MN与PQ平行且间距为L,
所在平面与水平面夹角为α,N、Q连线与MN垂直,M、P间接有阻值为R的电阻;光滑
直导轨NC和QD在同一水平面内,与NQ的夹角都为锐角θ,均匀金属棒ab和ef质量均
为m,长均为L,ab棒初始位置在水平导轨上与NQ重合;ef棒垂直放在倾斜导轨上,与导
轨间的动摩擦因数为μ(μ较小),由导轨上的小立柱1和2阻挡而静止。空间有方向竖直
的匀强磁场(图中未画出)。两金属棒与导轨保持良好接触。不计所有导轨和ab棒的电
阻,ef棒的阻值为R,最大静摩擦力与滑动摩擦力大小相等,忽略感应电流产生的磁场,重
力加速度为g。
(1)若磁感应强度大小为B,给ab棒一个垂直于NQ、水平向右的速度v ,在水平导轨上沿
1
运动方向滑行一段距离后停止,ef棒始终静止,求此过程ef棒上产生的热量;
(2)在(1)问过程中,ab棒滑行距离为d,求通过ab棒某横截面的电荷量;
(3)若ab棒以垂直于NQ的速度v 在水平导轨上向右匀速运动,并在NQ位置时取走小立
2
柱1和2,且运动过程中ef棒始终静止。求此状态下最强磁场的磁感应强度及此磁场下
ab棒运动的最大距离。
1 2Bd(L-dcotθ)
答案 (1)
mv2
(2) (3)见解析
4 1 R
解析 (1)设ab棒的初动能为E ,ef棒和电阻R在此过程产生的热量分别为W和W ,有
k 1
W+W =E ①
1 k
且W=W ②
1
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1
由题有E =
mv2
③
k 2 1
1
得W=
mv2
④
4 1
说明:①②③④式各1分。
(2)设在题设过程中,ab棒滑行时间为Δt,扫过的导轨间的面积为ΔS,通过ΔS的磁通量为
ΔΦ,ab棒产生的电动势为E,ab棒中的电流为I,通过ab棒某横截面的电荷量为q,则
ΔΦ
E= ⑤
Δt
且ΔΦ=BΔS⑥
q
I= ⑦
Δt
2E
又有I= ⑧
R
由图所示ΔS=d(L-d cot θ)⑨
2Bd(L-dcotθ)
联立⑤~⑨,解得q= ⑩
R
说明:⑤⑥⑦⑧⑨⑩式各1分。
(3)ab棒滑行距离为x时,ab棒在导轨间的棒长L 为
x
L =L-2x cot θ
x
此时,ab棒产生电动势E 为E =Bv L
x x 2 x
E
流过ef棒的电流I 为I = x
x x R
ef棒所受安培力F 为F =BI L
x x x
B2v L
联立 ~ ,解得F = 2 (L-2x cot θ)
x
R
由 式可得,F 在x=0和B为最大值B 时有最大值F 。
x m 1
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由题知,ab棒所受安培力方向必水平向左,ef棒所受安培力方向必水平向右,使F 为最大
1
值的受力分析如图所示,图中f 为最大静摩擦力,有
m
F cos α=mg sin α+μ(mg cos α+F sin α)
1 1
1 √mg(sinα+μcosα)R
联立 ,得B =
m L (cosα-μsinα)v
2
式就是题目所求最强磁场的磁感应强度大小,该磁场方向可竖直向上,也可竖直向下。
由 式可知,B为B 时,F 随x增大而减小,x为最大x 时,F 为最小值F ,如图可知
m x m x 2
F cos α+μ(mg cos α+F sin α)=mg sin α
2 2
联立 ,得
μLtanθ
x =
m (1+μ2)sinαcosα+μ
说明: 式各1分, 式2分,正确说明磁场方向得1分。
44.(2014浙江理综,24,20分)某同学设计一个发电测速装置,工作原理如图所示。一个半
径为R=0.1 m的圆形金属导轨固定在竖直平面上,一根长为R的金属棒OA,A端与导轨
接触良好,O端固定在圆心处的转轴上。转轴的左端有一个半径为r=R/3的圆盘,圆盘和
金属棒能随转轴一起转动。圆盘上绕有不可伸长的细线,下端挂着一个质量为m=0.5 kg
的铝块。在金属导轨区域内存在垂直于导轨平面向右的匀强磁场,磁感应强度B=0.5
T。a点与导轨相连,b点通过电刷与O端相连。测量a、b两点间的电势差U可算得铝
块速度。铝块由静止释放,下落h=0.3 m时,测得U=0.15 V。(细线与圆盘间没有滑动,金
属棒、导轨、导线及电刷的电阻均不计,重力加速度g=10 m/s2)
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(1)测U时,与a点相接的是电压表的“正极”还是“负极”?
(2)求此时铝块的速度大小;
(3)求此下落过程中铝块机械能的损失。
答案 (1)正极 (2)2 m/s (3)0.5 J
解析 (1)由右手定则知,金属棒产生的感应电动势的方向由O→A,故A端电势高于O端
电势,与a点相接的是电压表的“正极”。
(2)由电磁感应定律得
ΔΦ
U=E=
Δt
1
ΔΦ= BR2Δθ
2
1
U= BωR2
2
1
v=rω= ωR
3
2U
所以v= =2 m/s
3BR
1
(3)ΔE=mgh- mv2
2
ΔE=0.5 J
45.(2014安徽理综,23,16分)如图1所示,匀强磁场的磁感应强度B为0.5 T,其方向垂直于
倾角θ为30°的斜面向上。绝缘斜面上固定有“ ”形状的光滑金属导轨MPN(电阻忽略
不计),MP和NP长度均为2.5 m,MN连线水平,长为3 m。以MN中点O为原点、OP为x
轴建立一维坐标系Ox。一根粗细均匀的金属杆CD,长度d为3 m、质量m为1 kg、电
阻R为0.3 Ω,在拉力F的作用下,从MN处以恒定速度v=1 m/s在导轨上沿x轴正向运动
(金属杆与导轨接触良好)。g取10 m/s2。
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(1)求金属杆CD运动过程中产生的感应电动势E及运动到x=0.8 m处电势差U ;
CD
(2)推导金属杆CD从MN处运动到P点过程中拉力F与位置坐标x的关系式,并在图2
中画出F-x关系图像;
(3)求金属杆CD从MN处运动到P点的全过程产生的焦耳热。
答案 见解析
解析 (1)金属杆CD在匀速运动中产生的感应电动势
E=Blv(l=d),解得E=1.5 V (D点电势高)
当x=0.8 m时,金属杆在导轨间的电势差为零。设此时杆在导轨外的长度为l ,则
外
OP-x √ MN
l =d- d、OP= M P2-( )2,得l =1.2 m
外 OP 2 外
由楞次定律判断D点电势高,故CD两端电势差
U =-Bl v,即U =-0.6 V
CD 外 CD
OP-x 3
(2)杆在导轨间的长度l与位置x关系是l= d=3- x
OP 2
l Blv
对应的电阻R为R= R,电流I=
l l d R
l
杆受的安培力F =BIl=7.5-3.75x
安
根据平衡条件得F=F +mg sin θ
安
F=12.5-3.75x(0≤x≤2 m)
画出的F-x图像如图所示。
(3)外力F所做的功W 等于F-x图线下所围的面积,即
F
5+12.5
W = ×2 J=17.5 J
F 2
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而杆的重力势能增加量ΔE =mgOP sin θ
p
故全过程产生的焦耳热Q=W -ΔE =7.5 J
F p
46.(2014江苏单科,13,15分)如图所示,在匀强磁场中有一倾斜的平行金属导轨,导轨间距
为L,长为3d,导轨平面与水平面的夹角为θ,在导轨的中部刷有一段长为d的薄绝缘涂层。
匀强磁场的磁感应强度大小为B,方向与导轨平面垂直。质量为m的导体棒从导轨的顶
端由静止释放,在滑上涂层之前已经做匀速运动,并一直匀速滑到导轨底端。导体棒始终
与导轨垂直,且仅与涂层间有摩擦,接在两导轨间的电阻为R,其他部分的电阻均不计,重
力加速度为g。求:
(1)导体棒与涂层间的动摩擦因数μ;
(2)导体棒匀速运动的速度大小v;
(3)整个运动过程中,电阻产生的焦耳热Q。
思路解析 关注:导体棒在有绝缘涂层段受摩擦力,而不受安培力,在无涂层段不受摩擦
力,而受安培力。隐含条件,匀速运动意味着摩擦力与安培力相等。
解析 (1)在绝缘涂层上
受力平衡mg sin θ=μmg cos θ
解得μ=tan θ
(2)在光滑导轨上
感应电动势E=BLv
E
感应电流I=
R
安培力F =BIL
安
受力平衡F =mg sin θ
安
mgRsinθ
解得v=
B2L2
(3)摩擦生热Q =μmgd cos θ
摩
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1
由能量守恒定律得3mgd sin θ=Q+Q + mv2
摩 2
m3g2R2 sin2θ
解得Q=2mgd sin θ-
2B4L4
mgRsinθ
答案 (1)tan θ (2)
B2L2
m3g2R2 sin2θ
(3)2mgd sin θ-
2B4L4
47.(2014北京理综,24,20分)导体切割磁感线的运动可以从宏观和微观两个角度来认识。
如图所示,固定于水平面的U形导线框处于竖直向下的匀强磁场中,金属直导线MN在与
其垂直的水平恒力F作用下,在导线框上以速度v做匀速运动,速度v与恒力F方向相同;
导线MN始终与导线框形成闭合电路。已知导线MN电阻为R,其长度L恰好等于平行
轨道间距,磁场的磁感应强度为B。忽略摩擦阻力和导线框的电阻。
(1)通过公式推导验证:在Δt时间内,F对导线MN所做的功W等于电路获得的电能W ,
电
也等于导线MN中产生的焦耳热Q;
(2)若导线MN的质量m=8.0 g、长度L=0.10 m,感应电流I=1.0 A,假设一个原子贡献1个
自由电子,计算导线MN中电子沿导线长度方向定向移动的平均速率v(下表中列出一些
e
你可能会用到的数据);
阿伏加德罗常数N 6.0×1023 mol-1
A
元电荷e 1.6×10-19 C
导线MN的摩尔质量μ 6.0×10-2 kg/mol
(3)经典物理学认为,金属的电阻源于定向运动的自由电子与金属离子(即金属原子失
去电子后的剩余部分)的碰撞。展开你想象的翅膀,给出一个合理的自由电子的运动模型;
在此基础上,求出导线MN中金属离子对一个自由电子沿导线长度方向的平均作用力f
的表达式。
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温馨提示 (1)推导出W 与Q的表达式并比较。
电
(2)I=neSv。
(3)分析电子运动过程中的受力情况尝试用不同方法解题。
解析 (1)电动势E=BLv
导线匀速运动,受力平衡F=F =BIL
安
在Δt时间内,
外力F对导线做功W=FvΔt=F vΔt=BILvΔt
安
电路获得的电能W =qE=IEΔt=BILvΔt
电
可见,F对导线MN所做的功等于电路获得的电能W ;
电
导线MN中产生的焦耳热Q=I2RΔt=IΔt×IR=qE=W
电
可见,电路获得的电能W 等于导线MN中产生的焦耳热Q。
电
m
(2)导线MN中含有的原子数为N= N
μ A
因为一个金属原子贡献一个电子,所以导线MN中的自由电子数也是N。
N
导线MN单位体积内的自由电子数n=
SL
其中,S为导线MN的横截面积。
因为电流I=nvSe
e
I IL ILμ
所以v= = =
e nSe Ne mN e
A
解得v=7.8×10-6 m/s
e
(3)假设:所有自由电子(简称电子)以同一方式运动。
解法一:动量解法
设电子在每一次碰撞结束至下一次碰撞结束之间的运动都相同,经历的时间为Δt,电子的
动量变化为零。
因为导线MN的运动,电子受到沿导线方向的洛伦兹力f 的作用
洛
f =evB
洛
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沿导线方向,电子只受到金属离子的作用力和f 作用,所以
洛
f Δt-I=0
洛 f
其中I 为金属离子对电子的作用力的冲量,其平均作用力为f,则I=fΔt
f f
得f=f =evB
洛
答案 (1)见解析 (2)7.8×10-6 m/s (3)见解析
(2)解法二:能量解法
设电子从导线的一端到达另一端经历的时间为t,在这段时间内,通过导线一端的电子总数
It
N=
e
电阻上产生的焦耳热是由于克服金属离子对电子的平均作用力f做功产生的。
在时间t内
总的焦耳热Q=NfL
由能量守恒得Q=W =EIt=BLvIt
电
所以f=evB
解法三:动力学解法
因为电流不变,所以假设电子以速度v相对导线做匀速直线运动。
e
因为导线MN的运动,电子受到沿导线方向的洛伦兹力f 的作用,
洛
f =evB
洛
沿导线方向,电子只受到金属离子的平均作用力f和f 作用,二力平衡
洛
即f=f =evB
洛
48.(2014天津理综,11,18分)如图所示,两根足够长的平行金属导轨固定在倾角θ=30°的斜
面上,导轨电阻不计,间距L=0.4 m。导轨所在空间被分成区域Ⅰ和Ⅱ,两区域的边界与斜
面的交线为MN,Ⅰ中的匀强磁场方向垂直斜面向下,Ⅱ中的匀强磁场方向垂直斜面向上,
两磁场的磁感应强度大小均为B=0.5 T。在区域Ⅰ中,将质量m =0.1 kg,电阻R =0.1 Ω的
1 1
金属条ab放在导轨上,ab刚好不下滑。然后,在区域Ⅱ中将质量m =0.4 kg,电阻R =0.1 Ω
2 2
的光滑导体棒cd置于导轨上,由静止开始下滑。cd在滑动过程中始终处于区域Ⅱ的磁场
中,ab、cd始终与导轨垂直且两端与导轨保持良好接触,取g=10 m/s2。问
(1)cd下滑的过程中,ab中的电流方向;
(2)ab刚要向上滑动时,cd的速度v多大;
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(3)从cd开始下滑到ab刚要向上滑动的过程中,cd滑动的距离x=3.8 m,此过程中ab上产
生的热量Q是多少。
答案 (1)由a流向b (2)5 m/s (3)1.3 J
解析 (1)由右手定则可知ab中电流方向由a流向b。
(2)开始放置ab刚好不下滑时,ab所受摩擦力为最大静摩擦力,设其为F ,有
max
F =m g sin θ①
max 1
设ab刚要上滑时,cd棒的感应电动势为E,由法拉第电磁感应定律有
E=BLv②
设电路中的感应电流为I,由闭合电路欧姆定律有
E
I= ③
R +R
1 2
设ab所受安培力为F ,有
安
F =ILB④
安
此时ab受到的最大静摩擦力方向沿斜面向下,由平衡条件有
F =m g sin θ+F ⑤
安 1 max
综合①②③④⑤式,代入数据解得
v=5 m/s⑥
(3)设cd棒的运动过程中电路中产生的总热量为Q ,由能量守恒有
总
1
m gx sin θ=Q + m v2⑦
2 总 2 2
R
1
又Q= Q ⑧
R +R 总
1 2
解得Q=1.3 J⑨
49.(2018天津理综,12,20分)真空管道超高速列车的动力系统是一种将电能直接转换成平
动动能的装置。图1是某种动力系统的简化模型,图中粗实线表示固定在水平面上间距
为l的两条平行光滑金属导轨,电阻忽略不计。ab和cd是两根与导轨垂直、长度均为
第65页共70页北京曲一线图书策划有限公司 5年高考3年模拟 A版 物理
l、电阻均为R的金属棒,通过绝缘材料固定在列车底部,并与导轨良好接触,其间距也为
l,列车的总质量为m。列车启动前,ab、cd处于磁感应强度为B的匀强磁场中,磁场方向
垂直于导轨平面向下,如图1所示。为使列车启动,需在M、N间连接电动势为E的直流
电源,电源内阻及导线电阻忽略不计。列车启动后电源自动关闭。
(1)要使列车向右运行,启动时图1中M、N哪个接电源正极,并简要说明理由;
(2)求刚接通电源时列车加速度a的大小;
(3)列车减速时,需在前方设置如图2所示的一系列磁感应强度为B的匀强磁场区域,磁场
宽度和相邻磁场间距均大于l。若某时刻列车的速度为v ,此时ab、cd均在无磁场区域,
0
试讨论:要使列车停下来,前方至少需要多少块这样的有界磁场?
图1
图2
2BEl
答案 (1)见解析 (2) (3)见解析
mR
解析 本题考查左手定则、安培力、法拉第电磁感应定律、动量定理等。
(1)列车要向右运动,安培力方向应向右。根据左手定则,接通电源后,金属棒中电流方向
由a到b、由c到d,故M接电源正极。
(2)由题意,启动时ab、cd并联,设回路总电阻为R ,由电阻的串并联知识得
总
R
R = ①
总 2
设回路总电流为I,根据闭合电路欧姆定律有
E
I= ②
R
总
设两根金属棒所受安培力之和为F,有
F=IlB③
根据牛顿第二定律有
F=ma④
联立①②③④式得
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2BEl
a= ⑤
mR
(3)设列车减速时,cd进入磁场后经Δt时间ab恰好进入磁场,此过程中穿过两金属棒与导
轨所围回路的磁通量的变化为ΔΦ,平均感应电动势为E ,由法拉第电磁感应定律有
1
ΔΦ
E = ⑥
1 Δt
其中
ΔΦ=Bl2⑦
设回路中平均电流为I',由闭合电路欧姆定律有
E
I'= 1 ⑧
2R
设cd受到的平均安培力为F',有
F'=I'lB⑨
以向右为正方向,设Δt时间内cd受安培力冲量为I ,有
冲
I =-F'Δt⑩
冲
同理可知,回路出磁场时ab受安培力冲量仍为上述值,设回路进出一块有界磁场区域安
培力冲量为I ,有
0
I =2I
0 冲
设列车停下来受到的总冲量为I ,由动量定理有
总
I =0-mv
总 0
联立⑥⑦⑧⑨⑩ 式得
I mv R
总 0
=
I B2l3
0
I I I
总 总 总
讨论:若 恰为整数,设其为n,则需设置n块有界磁场;若 不是整数,设 的整数部分
I I I
0 0 0
为N,则需设置N+1块有界磁场。
50.(2018浙江4月选考,23,10分)如图所示,在竖直平面内建立xOy坐标系,在0≤x≤0.65
m、y≤0.40 m范围内存在一具有理想边界、方向垂直纸面向里的匀强磁场区域。一边
长l=0.10 m、质量m=0.02 kg、电阻R=0.40 Ω的匀质正方形刚性导线框abcd处于图示
第67页共70页北京曲一线图书策划有限公司 5年高考3年模拟 A版 物理
位置,其中心的坐标为(0,0.65 m)。现将线框以初速度v =2.0 m/s水平向右抛出。线框在
0
进入磁场过程中速度保持不变,然后在磁场中运动,最后从磁场右边界离开磁场区域,完成
运动全过程。线框在全过程中始终处于xOy平面内,其ab边与x轴保持平行,空气阻力
不计。(g取10 m/s2)求:
(1)磁感应强度B的大小;
(2)线框在全过程中产生的焦耳热Q;
(3)在全过程中,c、b两端的电势差U 与线框中心位置的x坐标的函数关系。
cb
答案 见解析
1
解析 (1)线框做平抛运动,当ab边与磁场上边界接触时,竖直方向有h= gt2=0.2 m,得
2
t=0.2 s,此时竖直方向的分速度v =gt=2 m/s=v ,合速度方向与水平方向成45°角,由题知
2y 0
线框匀速进入磁场,则感应电流
E Blv
I= = 2y
R R
F =BIl
安
因为线框匀速进入磁场,合力为0,所以mg=F
安
联立解得B=2 T
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(2)线框全部进入磁场区域之后,水平方向做匀速直线运动,竖直方向做匀加速直线运动,
线框离开磁场过程中,上下两边所受到的安培力抵消,所以不考虑竖直方向上的安培力产
生的焦耳热,水平方向上,只有ad边在水平方向上切割磁感线,线框离开磁场时所带的电
荷量
ΔΦ Bl2
q= =
R R
对离开过程在水平方向由动量定理,设向右为正,则
-Blq=mv -mv
5x 0
得v =1.5 m/s
5x
由能量守恒得
1 1 1 1
mgΔh-Q = mv2- mv2= mv(v2 +v2 )- m(v2+v2 )
1 2 5 2 4 2 5x 5y 2 0 4y
同时离开磁场过程中竖直方向只受重力,有
v2 -v2 =2gΔh
5y 4y
联立解得Q =0.017 5 J
1
在进入磁场过程中,速度不变,重力势能转换成焦耳热Q =mgl=0.02 J
2
所以Q =Q +Q =0.037 5 J
总 1 2
(3)易得图中2、3、4、5状态下中心横坐标分别为0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.7 m
①当x≤0.4 m时,线框还没进入磁场,U =0;
cb
②当0.4 m<x≤0.5 m时,线框电动势由ab边切割磁感线提供,但cb边进入磁场部分也在切
割磁感线,因此这里相当于也有一个电源,在计算电势差时也要考虑,同时电势差要注意正
负,因此
1
U =- Blv +B(x-0.4)v =4x-1.7;
cb 4 2y 0
③当0.5 m<x≤0.6 m时
线框完全进入磁场,电路中没有电流,但cb边仍在切割磁感线,因此仍然相当于一个电
源,U =Blv =0.4 V;
cb 0
④当0.6 m<x≤0.7 m时
1
线框出磁场,整个电动势由ad边提供,cb边已经在磁场外,U = Blv
cb 4 x
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B2l2(x-0.6)
又由动量定理得 =m(v -v )
R 0 x
得U =0.25-0.25x
cb
易错点拨 在第(3)问中求c、b两端的电势差,很容易犯错误,比如说直接套用欧姆定律。
在这里熟练掌握电路中的电势差的计算是避免犯错误的关键。进入磁场时cb边也有一
小段导线在水平切割磁感线,所以计算电势差时,需要考虑这一小段导体上感应电动势的
影响。
第70页共70页
