2020届高考物理一轮复习 第9章 4二）电磁感应中的动力学和能量问题题型专练巩固提升

2020届高考物理一轮复习 第9章 4二）电磁感应中的动力学和能量问题题型专练巩固提升

‎4 题型探究课（二）电磁感应中的动力学和能量问题 ‎1．‎ ‎(2018·江苏调研)如图所示，纸面内有一矩形导体闭合线框abcd，ab边长大于bc边长．从置于垂直纸面向里、边界为MN的匀强磁场外，线框两次匀速地完全进入磁场，两次速度大小相同，方向均垂直于MN．第一次ab边平行MN进入磁场，线框上产生的热量为Q1，通过线框导体横截面的电荷量为q1；第二次bc边平行MN进入磁场，线框上产生的热量为Q2，通过线框导体横截面的电荷量为q2，则(　　)‎ A．Q1>Q2　q1＝q2　　 　 B．Q1>Q2　q1>q2‎ C．Q1＝Q2　q1＝q2 D．Q1＝Q2　q1>q2‎ 解析：选A．设ab和bc边长分别为L1、L2，线框电阻为R，若假设穿过磁场区域的时间为t．‎ 通过线框导体横截面的电荷量 q＝t＝＝，‎ 因此q1＝q2．‎ 线框上产生的热量为Q，‎ 第一次：Q1＝BL1I‎1L2＝BL‎1L2，‎ 同理可以求得Q2＝BL2I‎2L1＝BL‎2L1，‎ 由于L1>L2，则Q1>Q2，故A正确．‎ ‎2．‎ 如图，在光滑水平桌面上有一边长为L、电阻为R的正方形导线框；在导线框右侧有一宽度为d(d＞L )的条形匀强磁场区域，磁场的边界与导线框的一边平行，磁场方向竖直向下．导线框以某一初速度向右运动．t＝0时导线框的右边恰与磁场的左边界重合，随后导线框进入并通过磁场区域．下列v－t图象中，能正确描述上述过程的是(　　)‎ 7‎ 解析：选D．导体切割磁感线时产生感应电流，同时产生安培力阻碍导体运动，利用法拉第电磁感应定律、安培力公式及牛顿第二定律可确定线框在磁场中的运动特点．线框进入和离开磁场时，安培力的作用都是阻碍线框运动，使线框速度减小，由E＝BLv、I＝及F＝BIL＝ma可知安培力减小，加速度减小，当线框完全进入磁场后穿过线框的磁通量不再变化，不产生感应电流，不再产生安培力，线框做匀速直线运动，故选项D正确．‎ ‎3．‎ 如图所示，质量均为m的金属棒ab、cd与足够长的水平金属导轨垂直且接触良好，两金属棒与金属导轨间的动摩擦因数为μ，磁感应强度为B的匀强磁场的方向竖直向下．则ab棒在恒力F＝2μmg作用下向右运动的过程中，有(　　)‎ A．安培力对ab棒做正功 B．安培力对cd棒做正功 C．ab棒做加速度逐渐减小的加速运动，最终匀速运动 D．cd棒做加速度逐渐减小的加速运动，最终匀速运动 解析：选C．对于ab棒，因为F＝2μmg>μmg，所以从静止开始加速运动，ab棒运动会切割磁感线产生感应电流，从而使ab棒受到一个向左的安培力，这样加速度会减小，最终会做匀速运动；而cd棒所受到的最大安培力与摩擦力相同，所以总保持静止状态，即安培力对ab棒做负功，对cd棒不做功，所以选项C正确，A、B、D错误．‎ ‎4．‎ 如图所示，足够长的金属导轨竖直放置，金属棒ab、cd均通过棒两端的环套在金属导轨上．虚线上方有垂直纸面向里的匀强磁场，虚线下方有竖直向下的匀强磁场，两匀强磁场的磁感应强度大小均为B．ab、cd棒与导轨间动摩擦因数均为μ，两棒总电阻为R，导轨电阻不计．开始两棒静止在图示位置，当cd棒无初速释放时，对ab棒施加竖直向上的力F，沿导轨向上做匀加速运动．则下列说法中错误的是(　　)‎ A．ab棒中的电流方向由b到a 7‎ B．cd棒先加速运动后匀速运动 C．cd棒所受摩擦力的最大值大于cd棒的重力 D．力F做的功等于两棒产生的电热、摩擦生热与增加的机械能之和 解析：选B．ab向上运动的过程中，穿过闭合回路abdc的磁通量增大，根据楞次定律可得ab棒中的感应电流方向为b→a，故A正确；cd棒中感应电流由c到d，其所在的区域有向下磁场，所受的安培力向里，cd棒所受的摩擦力向上．ab棒做加速直线运动，速度增大，产生的感应电流增加，cd棒所受的安培力增大，对导轨的压力增大，则滑动摩擦力增大，摩擦力先小于重力，后大于重力，所以cd棒先加速运动后减速运动，最后停止运动，故B错误；因安培力增加，cd棒受摩擦力的作用一直增加，会大于重力，故C正确；根据动能定理可得WF－Wf－W安培－WG＝mv2－0，力F所做的功应等于两棒产生的电热、摩擦生热与增加的机械能之和，故D正确．‎ ‎5．(多选)‎ 如图所示，两固定的竖直光滑金属导轨足够长且电阻不计．两质量、长度均相同的导体棒c、d置于边界水平的匀强磁场上方同一高度h处．磁场宽为3h，方向与导轨平面垂直．先由静止释放c，c刚进入磁场立即匀速运动，此时再由静止释放d，两导体棒与导轨始终保持良好接触．用ac表示c的加速度，Ekd表示d的动能，xc、xd分别表示c、d相对释放点的位移．下图中正确的是(　　)‎ 解析：选BD．导体棒c落入磁场之前做自由落体运动，加速度恒为g，有h＝gt2，v＝gt，c棒进入磁场以速度v做匀速直线运动时，d棒开始做自由落体运动，与c棒做自由落体运动的过程相同，此时c棒在磁场中做匀速直线运动的路程为h′＝vt＝gt2＝2h，d棒进入磁场而c棒还没有穿出磁场的过程，无电磁感应，两导体棒仅受到重力作用，加速度均为g 7‎ ‎，直到c棒穿出磁场，B正确；c棒穿出磁场后，d棒切割磁感线产生电动势，在回路中产生感应电流，因此时d棒速度大于c棒进入磁场时切割磁感线的速度，故电动势、电流、安培力都大于c棒刚进入磁场时的大小，d棒减速，直到穿出磁场仅受重力，做匀加速运动，结合匀变速直线运动v2－v＝2gh，可知加速过程动能与路程成正比，D正确．‎ ‎6．‎ ‎(多选)如图所示，在倾角为θ的光滑斜面上，有三条水平虚线l1、l2、l3，它们之间的区域Ⅰ、Ⅱ宽度均为d，两区域分别存在垂直斜面向下和垂直斜面向上的匀强磁场，磁感应强度大小均为B，一个质量为m、边长为d、总电阻为R的正方形导线框，从l1上方一定高度处由静止开始沿斜面下滑，当ab边刚越过l1进入磁场Ⅰ时，恰好以速度v1做匀速直线运动；当ab边在越过l2运动到l3之前的某个时刻，线框又开始以速度v2做匀速直线运动，重力加速度为g．在线框从释放到穿出磁场的过程中，下列说法正确的是(　　)‎ A．线框中感应电流的方向不变 B．线框ab边从l1运动到l2所用时间大于从l2运动到l3所用时间 C．线框以速度v2做匀速直线运动时，发热功率为sin2θ D．线框从ab边进入磁场到速度变为v2的过程中，减少的机械能ΔE机与重力做功WG的关系式是ΔE机＝WG＋mv－mv 解析：选CD．线框从释放到穿出磁场的过程中，由楞次定律可知感应电流方向先沿abcda后沿adcba再沿abcda方向，A项错误；线框第一次匀速运动时，由平衡条件有BId＝mgsin θ，I＝，解得v1＝，第二次匀速运动时，由平衡条件有2BI′d＝mgsin θ，I′＝，解得v2＝，线框ab边匀速通过区域Ⅰ，先减速再匀速通过区域Ⅱ，而两区域宽度相同，故通过区域Ⅰ的时间小于通过区域Ⅱ的时间，B项错误；由功能关系知线框第二次匀速运动时发热功率等于重力做功的功率，即P＝mgv2sin θ＝，C项正确；线框从进入磁场到第二次匀速运动过程中，损失的重力势能等于该过程中重力做的功，动能损失量为mv－mv，所以线框机械能损失量为ΔE机＝WG＋mv－mv，D项正确．‎ ‎7．‎ 7‎ 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．‎ 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安，有 F安＝IdB ①‎ 设磁铁受到沿斜面向上的作用力为F，其大小有 F＝‎2F安 ②‎ 磁铁匀速运动时受力平衡，则有 F－mgsin θ＝0 ③‎ 联立①②③式可得 I＝． ④‎ ‎(2)磁铁在铝条间运动时，在铝条中产生的感应电动势为 E＝Bdv ⑤‎ 设铝条与磁铁正对部分的电阻为R，由电阻定律有 7‎ R＝ρ ⑥‎ 由欧姆定律有 I＝ ⑦‎ 联立④⑤⑥⑦式可得 v＝． ⑧‎ ‎(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 F＝ ⑨‎ 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F′＝ 可见，F′>F＝mgsin 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′＝mgsin θ时，磁铁重新达到平衡状态，以较小的速度匀速下滑．‎ 答案：见解析 ‎8．如图甲所示，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．‎ ‎(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UCD；‎ ‎(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，并在图乙中画出F－x关系图象；‎ ‎(3)求金属杆CD从MN处运动到P点的全过程产生的焦耳热．‎ 7‎ 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 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外，则 l外＝d－d，OP＝ ＝‎‎2 m 得l外＝1．‎‎2 m 由右手定则判断D点电势高，故CD两端电势差 UCD＝－Bl外v＝－0．6 V．‎ ‎(2)杆在导轨间的长度l与位置x的关系是 l＝d＝3－x 对应的电阻R1＝R 电流I＝ 杆受到的安培力为F安＝BIl＝7．5－3．75x 根据平衡条件得F＝F安＋mgsin θ F＝12．5－3．75x(0≤x≤2)．‎ 画出的F－x图象如图所示．‎ ‎(3)外力F所做的功WF等于F－x图线下所围的面积．即 WF＝×2 J＝17．5 J 而杆的重力势能增加量ΔEp＝mgOPsin θ 故全过程产生的焦耳热Q＝WF－ΔEp＝7．5 J．‎ 答案：(1)1．5 V　－0．6 V　(2)F＝12．5－3．75x(0≤x≤2)‎ 图象见解析　(3)7．5 J 7‎