高中物理电磁感应定律的综合应用夯实基础拿高分Word文件下载.docx
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临界状态态
v与a方向关系
运动状态的分析
a变化情况
F=ma
合外力
运动导体所受的安培力
感应电流
确定电源（E，r）
[例题1]如图10-3-1所示，两根足够长的直金属导轨MN、PQ平行放置在倾角为θ的绝缘斜面上，两导轨间距为L0、M、P两点间接有阻值为R的电阻。
一根质量为m的均匀直金属杆ab放在两导轨上，并与导轨垂直。
整套装置处于磁感应强度为B的匀强磁场中，磁场方向垂直斜面向下，导轨和金属杆的电阻可忽略。
让ab杆沿导轨由静止开始下滑，导轨和金属杆接触良好，不计它们之间的摩擦。
（1）由b向a方向看到的装置如图所示，请在此图中画出ab杆下滑过程中某时刻的受力示意图；
10-3-1
（2）在加速下滑过程中，当ab杆的速度大小为v时，求此时ab杆中的电流及其加速度的大小；
（3）求在下滑过程中，ab杆可以达到的速度最大值。
图10-3-2
解析：
（1）如图10-3-2重力mg，竖直向下；
支持力N，垂直斜面向上；
安培力F，沿斜面向上
（2）当ab杆速度为v时，感应电动势E=BLv,此时电路电流
ab杆受到安培力
根据牛顿运动定律，有
（3）当
时，ab杆达到最大速度vm
【变式训练1】.如图10-3-3甲所示的轮轴,它可以绕垂直于纸面的光滑固定水平轴O转动.轮上绕有轻质柔软细线,线的一端系一重物,另一端系一质量为
的金属杆.
在竖直平面内有间距为L的足够长的平行金属导轨PO、EF,在QF之间连接有阻值为R的电阻,其余电阻不计.磁感应强度为B的匀强磁场与导轨平面垂直.开始时金属杆置于导轨下端,将重物由静止释放,重物最终能匀速下降.运动过程中金属杆始终与导轨垂直且接触良好,忽略所有摩擦.
（1）若重物的质量为M,则重物匀速下降的速度
为多大?
10-3-3
（2）对一定的磁感应强度B,重物的质量M取不同的值,测出相应的重物做匀速运动时的速度,可得出
实验图线.图乙中画出了磁感应强度分别为
和
时的两条实验图线,试根据实验结果计算
与
的比值.
1）
匀速下降时,金属杆匀速上升,回路中产生的感应电动势为:
则
对
、
整体有：
由以上式子解得：
（2）由
（1）得:
由
图象可知:
所以解得:
考点2.解决电磁感应现象中电路问题的基本方法与分析误区
在电磁感应中，切割磁感线的导体或磁通量发生变化的回路将产生感应电动势，该导体或回路就相当于电源，将它们接上电容器，便可使电容器充电；
将它们接上用电器，便可对用电器供电，在回路中形成电流.因此，电磁感应问题往往跟电路问题联系在一起.．解决电磁感应电路问题的关键是把电磁感应的问题等效转换成稳恒直流电路．
①确定电源：
先判断产生电磁感应现象的那一部分导体，该部分导体可视为等效电源．
②分析电路结构，画等效电路图．
③利用电路规律求解，主要有欧姆定律，串并联规律等．
（2）常见的一些分析误区
①不能正确分析感应电动势及感应电流的方向．因产生感应电动势那部分电路为电源部分，故该部分电路中的电流应为电源内部的电流，而外电路中的电流方向仍是从高电势到低电势．
②应用欧姆定律分析求解电路时，不注意等效电源的内阻对电路的影响．
③对联接在电路中电表的读数不能正确进行分析，特别是并联在等效电源两端的电压表，其示数应该是外电压，而不是等效电源的电动势．
10-3-4
[例题2]（20上海物理卷）如图10-3-4所示，光滑的平行长直金属导轨置于水平面内，间距为L、导轨左端接有阻值为R的电阻，质量为m的导体棒垂直跨接在导轨上。
导轨和导体棒的电阻均不计，且接触良好。
在导轨平面上有一矩形区域内存在着竖直向下的匀强磁场，磁感应强度大小为B。
开始时，导体棒静止于磁场区域的右端，当磁场以速度v1匀速向右移动时，导体棒随之开始运动，同时受到水平向左、大小为f的恒定阻力，并很快达到恒定速度，此时导体棒仍处于磁场区域内。
（1）求导体棒所达到的恒定速度v2；
（2）为使导体棒能随磁场运动，阻力最大不能超过多少？
（3）导体棒以恒定速度运动时，单位时间内克服阻力所做的功和电路中消耗的电功率各为多大？
（4）若t＝0时磁场由静止开始水平向右做匀加速直线运动，经过较短时间后，导体棒也做匀加速直线运动，其v-t关系如图（b）所示，已知在时刻t导体棒瞬时速度大小为vt，求导体棒做匀加速直线运动时的加速度大小。
考点分析本题考查了物体的平衡、安培力、感应电动势、电功率。
解题思路
（1）导体棒运动时，切割磁感线，产生感应电动势，E＝BL（v1－v2），根据闭合电路欧姆定律有I＝E/R，导体棒受到的安培力F＝BIL＝
，速度恒定时有：
＝f，可得：
。
（2）假设导体棒不随磁场运动，产生的感应电动势为
，此时阻力与安培力平衡，所以有
（3）P导体棒＝Fv2＝f
，P电路＝E2/R＝
＝
，
（4）因为
－f＝ma，导体棒要做匀加速运动，必有v1－v2为常数，设为v，a＝
，则
－f＝ma，可解得：
a＝
10－3－5
【变式训练2】半径为a的圆形区域内有均匀磁场，磁感强度为B=0.2T，磁场方向垂直纸面向里，半径为b的金属圆环与磁场同心地放置，磁场与环面垂直，其中a=0.4m，b=0.6m，金属环上分别接有灯L1、L2，两灯的电阻均为R=2Ω，一金属棒MN与金属环接触良好，棒上单位长度的电阻为1Ω，环的电阻忽略不计
（1）若棒以v0=5m/s的速率在环上向右匀速滑动，求棒滑过圆环直径OO′的瞬时（如图10－3－5所示）MN中的电动势和流过灯L1的电流.
（2）撤去中间的金属棒MN，将右面的半圆环OL2O′以OO′为轴向上翻转90º
，若此时磁场随时间均匀变化，其变化率为ΔB/Δt=4T/s，求L1的功率.
图
（1）
图
（2）
（1）棒滑过圆环直径OO′的瞬时，MN中的电动势
E1=B2av=0.2×
0.8×
5=0.8V①
等效电路如图
（1）所示，流过灯L1的电流
I1=E1/R=0.8/2=0.4A②
，半圆环OL1O′中产生感应电动势，相当于电源，灯L2为外电路，等效电路如图
（2）所示，感应电动势
E2=ΔФ/Δt=0.5×
πa2×
ΔB/Δt=0.32V③
L1的功率P1=（E2/2）2/R=1.28×
10-2W
考点3.解决电磁感应现象中能量转化问题的基本方法与要点
在物理学研究的问题中,能量是一个非常重要的课题,能量守恒是自然界的一个普遍的、重要的规律。
在电磁感应现象中，由磁生电并不是创造了电能，而只是机械能转化为电能而已。
在力学中就已经知道：
功是能量转化的量度。
那么在机械能转化为电能的电磁感应现象中，是什么力在做功呢？
是安培力在做功，在电学中，安培力做正功，是将电能转化为机械能（电动机），安培力做负功，是将机械能转化为电能（发电机），必须明确发生电磁感应现象中，是安培力做功导致能量的转化。
①用法拉第电磁感应和楞次定律确定感应电动势的大小和方向．
②画出等效电路，求出回路中电阻消耗电功率表达式．
③分析导体机械能的变化，用能量守恒关系得到机械功率的改变与回路中电功率的改变所满足的方程，即能量守恒方程．
（2）分析要点
分析过程中应当牢牢抓住能量守恒这一基本规律，即分析清楚有哪些力做功，就可知道有哪些形式的能量参与了相互转化，如有摩擦力做功，必然有内能出现；
重力做功，就可能有机械能参与转化；
安培力做负功就将其它形式能转化为电能，做正功将电能转化为其它形式的能；
然后利用能量守恒列出方程求解．
10-3-6
[例题3]（20江苏物理卷18题）如图10-3-6所示，空间等间距分布着水平方向的条形匀强磁场，竖直方向磁场区域足够长，磁感应强度B=1T，每一条形磁场区域的宽度及相邻条形磁场区域的间距均为d=0.5m，现有一边长l=0.2m、质量m=0.1kg、电阻R=0.1Ω的正方形线框MNOP以v0=7m/s的初速从左侧磁场边缘水平进入磁场，求
（1）线框MN边刚进入磁场时受到安培力的大小F．
（2）线框从开始进入磁场到竖直下落的过程中产生的焦耳热Q．
（3）线框能穿过的完整条形磁场区域的个数n．
（1）线框MN边刚开始进入磁场区域时，感应电动势
，感应电流
，安培力
，联立解得
N．
（2）设线框竖直下落时，线框下落了H，速度为
，根据能量守恒定律有：
，根据自由落体规律有：
，解得
J．
（3）只有在线框进入和穿出条形磁场区域时，才产生感应电动势．线框部分进入磁场区域
时，感应电动势
，感应电流
，安培力
．在
时间内由动量定理得
，求和
，解得
，穿过条形磁场区域的个数为
．可穿过4个完整条形磁场区域．
答案：
（1）
N
（2）2.45J（3）4个
点拔：
在电磁感应中应用动量定理时，若安培力为变力作用，则可以利用平均值的方法分析求解，也可以应用数学知识中的求和进行求解．对于电磁感应中能量的转化问题，则通常采用能量．
【变式训练3】如图10-3-7所示，平行金属导轨与水平面成θ角，导轨与固定电阻R1和R2相连，匀强磁场垂直穿过导轨平面．有一导体棒ab，质量为m，导体棒的电阻与固定电阻R1和R2的阻值均相等，与导轨之间的动摩擦因数为μ，导体棒ab沿导轨向上滑动，当上滑的速度为v时，受到安培力的大小为F。
此时
A．电阻R1消耗的热功率为Fv／3
B．电阻R。
消耗的热功率为Fv／6
C．整个装置因摩擦而消耗的热功率为μmgvcosθ
D．整个装置消耗的机械功率为（F＋μmgcosθ）v
由法拉第电磁感应定律得E=BLv，回路总电流I=E/1.5R，安培力F=BIL，所以电阻R1的功率P1=（0.5I）2R=Fv/6，B选项正确。
由于摩擦力f=μmgcosθ，故因摩擦而消耗的热功率为μmgvcosθ。
整个装置消耗的机械功率为（F+μmgcosθ）v。
BCD
考点4.解决电磁感应现象中图像问题的基本方法与要点
电磁感应中常涉及磁感应强度B、磁通量Φ、感应电动势E和感应电流I随时间t变化的图像，即B-t图像、Φ-t图像、E-t图像和I-t图像等。
对于切割磁感线产生感应电动势和感应电流的情况还常涉及感应电动势E和感应电流I随线圈位移x变化的图像，即E-x图像和I-x图像。
①看清横、纵坐标表示的物理量．
②理解图像的物理意义．
③画出对应的物理图像（常常采用分段法，数学法来处理）．
①定性或定量地表示出所研究问题的函数关系．
②注意横、纵坐标表达的物理理，以及各物理量的单位．
③注意在图象中E、I、B等物理量的方向是通过正负值来反映，故确定大小变化的同时，还应确定方向的变化情况．
[例题4]（2020年全国I）矩形导线框abcd固定在匀强磁场中，磁感线的方向与导线框所在平面垂直，规定磁场的正方向垂直低面向里，磁感应强度B随时间变化的规律如图所示。
若规定顺时针方向为感应电流I的正方向，下列各图中正确的是（）
0-1s内B垂直纸面向里均匀增大，则由楞次定律及法拉第电磁感应定律可得线圈中产生恒定的感应电流，方向为逆时针方向，排除A、C选项；
2s-3s内，B垂直纸面向外均匀增大，同理可得线圈中产生的感应电流方向为顺时针方向，排除B选项，D正确。
点拨：
电磁感应图象问题是近几年高考的热点，特别是电流随时间变化和电压随时间变化的最多，复习时要加强这方面的训练。
【变式训练4】
（08·
上海·
10）如图10-3-8所示，平行于y轴的导体棒以速度v向右匀速直线运动，经过半径为R、磁感应强度为B的圆形匀强磁场区域，导体棒中的感应电动势ε与导体棒位置x关系的图像是（A）
10-3-8
在x=R左侧，设导体棒与圆的交点和圆心的连线与x轴正方向成θ角，则导体棒切割有效长度L=2Rsinθ，电动势与有效长度成正比，故在x=R左侧，电动势与x的关系为正弦图像关系，由对称性可知在x=R右侧与左侧的图像对称。
四、考能训练
A基础达标
1、边长为h的正方形金属导线框,从10-3-9图中所示的位置由静止开始下落,通过一匀强磁场区域,磁场方向水平,且垂直于线框平面,磁场宽度为H,上下边界如图中虚线所示,H>
h.在线框开始下落到完全穿过磁场区的全过程中（）
A.线框中总有感应电流存在
B.线框受到磁场力的合力方向有时向上,有时向下
10-3-9
C.线框运动方向始终是向下的
D.线框速度的大小总是在增加的
2、铁路上使用一种电磁装置向控制中心传输信号以确定火车的位置,能产生匀强磁场的磁铁被安装在火车首节车厢下面,如10-3-10甲所示（俯视图）.当它经过安放在两铁轨间的线圈时,便会产生一电信号,被控制中心接收.当火车通过线圈时,若控制中心接收到的线圈两端的电压信号为下图乙所示,则说明火车在做（）
A.匀速直线运动
B.匀加速直线运动
10-3-10
C.匀减速直线运动
D.加速度逐渐增大的变加速直线运动
3、如图10-3-11所示，矩形线圈长为L、宽为h，电阻为R，质量为m，在空气中竖直下落一段距离后（空气阻力不计），进入一宽度也为h、磁感应强度为B的匀强磁场中，线圈进入磁场时的动能为
，线圈刚穿出磁场时的动能为
，这一过程中产生的热量为Q，线圈克服磁场力做的功为
，重力做的功为
，线圈重力势能的减少量为
，则以下关系中正确的是（）
A、
B、
C、
D、
4、如图10-3-12所示，CDEF是固定的、水平放置的、足够长的“U”型金属导轨，整个导轨处于竖直向上的匀强磁场中，在导轨上架着一个金属棒ab，在极短时间内给ab棒一个水平向右的冲量，使它获得一个速度开始运动，最后又静止在导轨上，则ab棒在运动过程中，就导轨是光滑和粗糙两种情况相比较（）
A、安培力对ab棒做的功相等
B、电流通过整个回路所做的功相等
C、整个回路产生的总热量不同
D、ab棒动量的改变量相同
5、如图10-3-13所示，接有灯泡L的平行金属导轨水平放置在匀强磁场中，一导体杆与两导轨良好接触并做往复运动，其运动情况与弹簧振子做简谐运动的情况相同。
图中O位置对应于弹簧振子的平衡位置，P、Q两位置对应于弹簧振子的最大位移处。
若两导轨的电阻不计，则（）
A．杆由O到P的过程中，电路中电流变大
B．杆由P到Q的过程中，电路中电流一直变大
C．杆通过O处时，电路中电流方向将发生改变化
D．杆通过O处时，电路中电流最大
6、（20.山东理综卷）用相同导线绕制的边长为L或2L的四个闭合导体线框，以相同的速度匀速进入右侧匀强磁场，如图10-3-14所示。
在每个线框进入磁场的过程中，M、N两点间的电压分别为Ua、Ub、Uc和Ud。
下列判断正确的是（）
A．
B。
C。
10-3-14
D。
7、如图10-3-15所示，闭合导线框的质量可以忽略不计，将它从图示位置匀速拉出匀强磁场，若第一次用0.3s时间拉出，外力做的功为
，通过导线截面的电量为
，第二次用0.9s时间拉出，外力做的功为
，则（）
B、
D、
8、（20。
全国理综卷II）如图10-3-16所示，在PQ、QR区域中存在着磁感应强度大小相等、方向相反的匀强磁场，磁场方向均垂直于纸面，一导线框
位于纸面内，线框的邻边都相互垂直，
边与磁场的边界P重合。
导线框与磁场区域的尺寸如图所示。
从t＝0时刻开始线框匀速横穿两个磁场区域。
以
为线框中有电动势的正方向。
以下四个ε-t关系示意图中正确的是（）
10-3-16
M
N
P
Q
R1
R2
F
甲
I12/A2
t/s
12345
0.1
0.2
O
乙
10-3-17
9、如图10-3-17所示，光滑且足够长的平行金属导轨MN、PQ固定在同一水平面上，两导轨间距为L＝1m，定值电阻R1＝4Ω，R2＝2Ω，导轨上放一质量为m＝1kg的金属杆，导轨和金属杆的电阻不计，整个装置处于磁感应强度为B＝0.8T的匀强磁场中，磁场的方向垂直导轨平面向下，现用一拉力F沿水平方向拉杆，使金属杆由静止开始运动。
图乙所示为通过R1中的电流平方随时间变化的I12—t图线，求：
（1）5s末金属杆的动能；
（2）5s末安培力的功率；
（3）5s内拉力F做的功。
B能力提升
10、如图10-3-18所示，在磁感应强度为B的匀强磁场中，有半径为r的光滑半圆形导体框，OC为一能绕O在框架上滑动的导体棒，Ob之间连一个电阻R，导体框架与导体电阻均不计，若要使OC能以角速度
匀速转动，则外力做功的功率是（）
10-3-19
11、如图10-3-19所示，两条水平虚线之间有垂直于纸面向里，宽度为d，磁感应强度为B的匀强磁场．质量为m，电阻为R的正方形线圈边长为L（L<
d），线圈下边缘到磁场上边界的距离为h．将线圈由静止释放，其下边缘刚进入磁场和刚穿出磁场时刻的速度都是v0，则在整个线圈穿过磁场的全过程中（从下边缘进入磁场到上边缘穿出磁场），下列说法中正确的是 （）
A．线圈可能一直做匀速运动
B．线圈可能先加速后减速
C．线圈的最小速度一定是mgR／B2L2
D．线圈的最小速度一定是
10-3-20
12、光滑曲面与竖直平面的交线为抛物线，如图10-3-20所示。
抛物线的方程为y=x2，下半部处在一个水平方向的匀强磁场中，磁场的上边界是y=a的直线（图中虚线所示）。
一个金属块从抛物线上y=b（b>
a）处以速度v沿抛物线下滑。
假设抛物线足够长，金属块沿抛物线下滑后产生的焦耳热的总量为
A．mgb
B．
mv2
C．mg（b－a）
D．mg（b－a）+
13、如图10-3-21所示，质量为m的跨接杆ab可以无摩擦地沿水平的导轨滑行，两轨间宽为L，导轨与电阻R连接，放在竖直向下的匀强磁场中，磁感强度为B。
杆从x轴原点O以大小为vo的水平初速度向右滑行，直到静止。
已知杆在整个运动过程中速度v和位移x的函数关系是：
v=v0-B2L2
杆及导轨的电阻均不计。
（1）试求杆所受的安培力F随其位移x变化的函数式。
（2）分别求出杆开始运动和停止运动时所受的安培力F1和F2。
（3）证明杆在整个运动过程中动能的变化量△EK等于安培力所做的功W。
×
×
x
R
a
b
10-3-21
（4）求出电阻R所增加的内能△E。
14、如图10-3-22甲所示，空间存在B=0.5T，方向竖直向下的匀强磁场，MN、PQ是处于同一水平面内相互平行的粗糙长直导轨，间距L=0.2m，R是连接在导轨一端的电阻，ab是跨接在导轨上质量为m=0.1kg的导体棒.从零时刻开始，通过一小型电动机对ab棒施加一个牵引力F，方向水平向左，使其从静止开始沿导轨做加速运动，此过程中棒始终保持与导轨垂直且接触良好.图乙是棒的v-t图像，其中OA段是直线，AC是曲线，DE是曲线图像的渐进线，小型电动机在12s末达到额定功率P=4.5W，此后保持功率不变.除R外，其余部分电阻均不计，g=10m/s2.
（1）求导体棒ab在0－12s内的加速度大小；
（2）求导体棒ab与导轨间的动摩擦因数及电阻R的值；
（3）若t=17s时，导体棒ab达最大速度，从0－17s内共发生位移100m，试求12－17s内，R上产生的热量.
10-3-2222
15、如图10-3-23，光滑平行的水平金属导轨MN、PQ相距L，在M点和P点间接一个阻值为R的电阻，在两导轨间OO1O1′O′矩形区域内有垂直导轨平面竖直向下、宽为d的匀强磁场，磁感强度为B。
一质量为m，电阻为r的导体棒ab，垂直搁在导轨上，与磁场左边界相距d0。
现用一大小为F、水平向右的恒力拉ab棒，使它由静止开始运动，棒ab在离开磁场前已经做匀速直线运动（棒ab与导轨始终保持良好的接触且垂直导轨运动，导轨电阻不计）。
求：
（1）棒ab在离开磁场右边界时的速度；
（2）棒ab通过磁场区的过程中整个回路所消耗的电能；
（3）试分析讨论ab棒在磁场中可能的运动情况。
10-3-23
16、如图10-3-24所示，两足够长平行光滑的金属导轨MN、PQ相距为L，导轨平面与水平面夹角α=30°
，导轨电阻不计．磁感应强度为B的匀强磁场垂直导轨平面向上，长为L的金属棒ab垂直于MN、PQ放置在导轨上，且始终与导轨电接触良好，金属棒的质量为m、电阻为R．两金属导轨的上端连接
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