2021高考物理一轮复习经典组合之电磁感应中的动力学和能量问题Word版含答案.docx

电磁感应中的动力学和能量问题考纲解读1.会分析计算电磁感应中有安培力参与的导体的运动及平衡问题.2.会分析计算电磁感应中能量的转化与转移考点一电磁感应中的动力学问题分析1 安培力的大小由感应电动势EBlv，感应电流I和安培力公式FBIl得F.2 安培力的方向推断3 导体两种状态及处理方法(1)导体的平衡态静止状态或匀速直线运动状态处理方法：依据平衡条件(合外力等于零)列式分析(2)导体的非平衡态加速度不为零处理方法：依据牛顿其次定律进行动态分析或结合功能关系分析例1(2022广东理综35)如图1所示，质量为M的导体棒ab，垂直放在相距为l的平行光滑金属导轨上，导轨平面与水平面的夹角为，并处于磁感应强度大小为B、方向垂直于导轨平面对上的匀强磁场中左侧是水平放置、间距为d的平行金属板，R和Rx分别表示定值电阻和滑动变阻器的阻值，不计其他电阻图1(1)调整RxR，释放导体棒，当导体棒沿导轨匀速下滑时，求通过导体棒的电流I及导体棒的速率v.(2)转变Rx，待导体棒沿导轨再次匀速下滑后，将质量为m、带电荷量为q的微粒水平射入金属板间，若它能匀速通过，求此时的Rx.解析(1)对匀速下滑的导体棒进行受力分析如图所示导体棒所受安培力F安BIl 导体棒匀速下滑，所以F安Mgsin 联立式，解得I 导体棒切割磁感线产生感应电动势EBlv 由闭合电路欧姆定律得I，且RxR，所以I 联立式，解得v(2)由题意知，其等效电路图如图所示由图知，平行金属板两板间的电压等于Rx两端的电压设两金属板间的电压为U，由于导体棒匀速下滑时的电流仍为I，所以由欧姆定律知UIRx 要使带电的微粒匀速通过，则mgq 联立式，解得Rx.答案(1)(2)规律总结解决电磁感应中的动力学问题的一般思路是“先电后力”，即：先做“源”的分析分别出电路中由电磁感应所产生的电源，求出电源参数E和r；再进行“路”的分析分析电路结构，弄清串、并联关系，求出相应部分的电流大小，以便求解安培力；然后是“力”的分析分析争辩对象(常是金属杆、导体线圈等)的受力状况，尤其留意其所受的安培力；最终进行“运动”状态的分析依据力和运动的关系，推断出正确的运动模型突破训练1如图2所示，两足够长平行金属导轨固定在水平面上，匀强磁场方向垂直导轨平面对下，金属棒ab、cd与导轨构成闭合回路且都可沿导轨无摩擦滑动，两金属棒ab、cd的质量之比为21.用一沿导轨方向的恒力F水平向右拉金属棒cd，经过足够长时间以后() 图2A金属棒ab、cd都做匀速运动B金属棒ab上的电流方向是由b向aC金属棒cd所受安培力的大小等于2F/3D两金属棒间距离保持不变答案BC解析对两金属棒ab、cd进行受力分析和运动分析可知，两金属棒最终将做加速度相同的匀加速直线运动，且金属棒ab速度小于金属棒cd速度，所以两金属棒间距离是变大的，由楞次定律推断金属棒ab上的电流方向是由b到a，A、D错误，B正确；以两金属棒整体为争辩对象有：F3ma，隔离金属棒cd分析：FF安ma，可求得金属棒cd所受安培力的大小F安F，C正确；因此答案选B、C.考点二电磁感应中的能量问题分析1 过程分析(1)电磁感应现象中产生感应电流的过程，实质上是能量的转化过程(2)电磁感应过程中产生的感应电流在磁场中必定受到安培力的作用，因此，要维持感应电流的存在，必需有“外力”克服安培力做功，将其他形式的能转化为电能“外力”克服安培力做了多少功，就有多少其他形式的能转化为电能(3)当感应电流通过用电器时，电能又转化为其他形式的能安培力做功的过程，或通过电阻发热的过程，是电能转化为其他形式能的过程安培力做了多少功，就有多少电能转化为其他形式的能2 求解思路(1)若回路中电流恒定，可以利用电路结构及WUIt或QI2Rt直接进行计算(2)若电流变化，则：利用安培力做的功求解：电磁感应中产生的电能等于克服安培力所做的功；利用能量守恒求解：若只有电能与机械能的转化，则机械能的削减量等于产生的电能例2如图3所示，倾角为30、足够长的光滑平行金属导轨MN、PQ相距L10.4 m，B15 T的匀强磁场垂直导轨平面对上一质量m1.6 kg的金属棒ab垂直于MN、PQ放置在导轨上，且始终与导轨接触良好，其电阻r1 .金属导轨上端连接右侧电路，R11 ，R21.5 .R2两端通过细导线连接质量M0.6 kg的正方形金属框cdef，正方形边长L20.2 m，每条边电阻r0为1 ，金属框处在一方向垂直纸面对里、B23 T的匀强磁场中现将金属棒由静止释放，不计其他电阻及滑轮摩擦，g取10 m/s2.(1)若将电键S断开，求棒下滑过程中的最大速度(2)若电键S闭合，每根细导线能承受的最大拉力为3.6 N，求细导线刚好被拉断时棒的速度(3)若电键S闭合后，从棒释放到细导线被拉断的过程中，棒上产生的电热为2 J，求此过程中棒下滑的高度(结果保留一位有效数字)图3解析(1)棒下滑过程中，沿导轨的合力为0时，速度最大，mgsin F安0F安B1IL1IEB1L1vmax代入数据解得：vmax7 m/s(2)闭合S后，设细导线刚断开时，通过金属框ef边电流为I，则通过cd边的电流为3I则：2FTMgB2IL23B2IL20解得I0.5 A通过R2的电流I2I21 A电路总电流I1I24I3 A金属框接入电路总电阻R框 R2与R框并联电阻为R，R 设此时棒的速度为v1，则有I1解得v13.75 m/s(3)当棒下滑高度为h时，棒上产生的热量为Qab，R1上产生的热量为Q1，R2与R框上产生的总热量为Q，依据能量转化与守恒定律有mghmvQabQ1QQab2 JQ1Qab2 JQ1 J解得h1 m答案(1)7 m/s(2)3.75 m/s(3)1 m技巧点拨电磁感应中能量转化问题的分析技巧1 电磁感应过程往往涉及多种能量的转化(1)如图4中金属棒ab沿导轨由静止下滑时，重力势能削减，一部分用来克服安培力做功，转化为感应电流的电能，最终在R上转化为焦耳热，另一部分转化为金属棒的动能(2)若导轨足够长，棒最终达到稳定状态做匀速运动，之后重 力势能的减小则完全用来克服安培力做功，转化为感应电流的电能 图42 安培力做功和电能变化的特定对应关系 (1)“外力”克服安培力做多少功，就有多少其他形式的能转化为电能(2)安培力做功的过程，是电能转化为其他形式的能的过程，安培力做多少功就有多少电能转化为其他形式的能3 解决此类问题的步骤(1)用法拉第电磁感应定律和楞次定律(包括右手定则)确定感应电动势的大小和方向(2)画出等效电路图，写出回路中电阻消耗的电功率的表达式(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转变与回路中电功率的转变所满足的方程，联立求解突破训练2如图5所示电路，两根光滑金属导轨平行放置在倾角为的斜面上，导轨下端接有电阻R，导轨电阻不计，斜面处在竖直向上的匀强磁场中，电阻可忽视不计的金属棒ab质量为m，受到沿斜面对上且与金属棒垂直的恒力F的作用金属棒沿导轨匀速下滑， 图5则它在下滑高度h的过程中，以下说法正确的是 ()A作用在金属棒上各力的合力做功为零B重力做的功等于系统产生的电能C金属棒克服安培力做的功等于电阻R上产生的焦耳热D金属棒克服恒力F做的功等于电阻R上产生的焦耳热答案AC解析依据动能定理，合力做的功等于动能的增量，故A对；重力做的功等于重力势能的削减，重力做的功等于克服F所做的功与产生的电能之和，而克服安培力做的功等于电阻R上产生的焦耳热，所以B、D错，C对44应用动力学和能量观点解决电磁感应中的“导轨杆”模型问题1 模型概述“导轨杆”模型是电磁感应问题在高考命题中的“基本道具”，也是高考的热点，考查的学问点多，题目的综合性强，物理情景变化空间大，是我们复习中的难点“导轨杆”模型又分为“单杆”型和“双杆”型；导轨放置方式可分为水平、竖直和倾斜；杆的运动状态可分为匀速运动、匀变速运动、非匀变速运动或转动等；磁场的状态可分为恒定不变、均匀变化和非均匀变化等等，情景简洁，形式多变2 常见模型类型“电动电”型“动电动”型示意图已知量棒ab长L，质量m，电阻R；导轨光滑水平，电阻不计棒ab长L，质量m，电阻R；导轨光滑，电阻不计过程分析S闭合，棒ab受安培力F，此时加速度a，棒ab速度v感应电动势EBLv电流I安培力FBIL加速度a，当安培力F0时，a0，v最大，最终匀速运动棒ab释放后下滑，此时加速度agsin ，棒ab速度v感应电动势EBLv电流I安培力FBIL加速度a，当安培力Fmgsin 时，a0，v最大，最终匀速运动能量转化通过安培力做功，把电能转化为动能克服安培力做功，把重力势能转化为内能运动形式变加速运动变加速运动最终状态匀速运动，vm匀速运动vm解析(1)设甲在磁场区域abcd内运动时间为t1，乙从开头运动到ab位置的时间为t2，则由运动学公式得L2gsin t，Lgsin t解得t1 ，t2 (1分)由于t10，金属棒将始终加速下滑，A错，B对；由右手定则可知，金属棒a端(即M板)电势高，C对；若微粒带负电，则电场力向上，与重力反向，开头时电场力为0，微粒向下加速，当电场力增大到大于重力时，微粒的加速度向上，可能向N板减速运动到零后再向M板运动，D错4 如图11所示，足够长的光滑平行金属导轨cd和ef水平放置，在其左端连接倾角为37的光滑金属导轨ge、hc，导轨间距均为L1 m，在水平导轨和倾斜导轨上，各放一根与导轨垂直的金属杆，金属杆与导轨接触良好金属杆a、b质量均为m0.1 kg，电阻Ra2 、Rb3 ，其余电阻不计在水平导轨和斜面导轨区域分别有竖直向上和竖直向下的匀强磁场B1、B2，且B1B20.5 T已知从t0时刻起，杆a在外力F1作用下由静止开头水平向右运动，杆b在水平向右的外力F2作用下始终保持静止状态，且F20.750.2t (N)(sin 370.6，cos 370.8，g取10 m/s2)图11(1)通过计算推断杆a的运动状况；(2)从t0时刻起，求1 s内通过杆b的电荷量；(3)若t0时刻起，2 s内作用在杆a上的外力F1做功为13.2 J，则这段时间内杆b上产生的热量为多少？答案(1)以4 m/s2的加速度做匀加速运动(2)0.2 C(3)6 J解析(1)由于杆b静止，所以有F2B2ILmgtan 37而F20.750.2t(N)解得I0.4t (A)整个电路中的电动势由杆a运动产生，故EI(RaRb)EB1Lv解得v4t所以，杆a做加速度为a4 m/s2的匀加速运动(2)杆a在1 s内运动的距离dat22 mqtEq0.2 C即1 s内通过杆b的电荷量为0.2 C(3)设整个电路中产生的热量为Q，由能量守恒定律得W1Qmvv1at8 m/s解得Q10 J从而QbQ6 J题组1电磁感应中的动力学问题1 如图1(a)所示为磁悬浮列车模型，质量M1 kg的绝缘板底座静止在动摩擦因数10.1的粗糙水平地面上位于磁场中的正方形金属框ABCD为动力源，其质量m1 kg，边长为1 m，电阻为 ，与绝缘板间的动摩擦因数20.4.OO 为AD、BC的中线在金属框内有可随金属框同步移动的磁场，OOCD区域内磁场如图(b)所示，CD恰在磁场边缘以外；OOBA区域内磁场如图(c)所示，AB恰在磁场边缘以内(g10 m/s2)若绝缘板足够长且认为绝缘板与地面间最大静摩擦力等于滑动摩擦力，则金属框从静止释放后 ()图1A若金属框固定在绝缘板上，金属框的加速度为3 m/s2B若金属框固定在绝缘板上，金属框的加速度为7 m/s2C若金属框不固定，金属框的加速度为4 m/s2，绝缘板仍静止D若金属框不固定，金属框的加速度为4 m/s2，绝缘板的加速度为2 m/s2答案AD解析若金属框固定在绝缘板上，由题意得ESABCD111 V0.5 V，I8 A，FABB2IL8 N，取绝缘板和金属框整体进行受力分析，由牛顿其次定律：FAB1(Mm)g(Mm)a，解得a3 m/s2，A对，B错；若金属框不固定，对金属框进行受力分析，假设其相对绝缘板滑动，Ff12mg0.4110 N4 NFAB，假设正确对金属框应用牛顿其次定律得FABFf1ma1，a14 m/s2；对绝缘板应用牛顿其次定律得Ff1Ff2Ma2，Ff21(Mm)g2 N，解得a22 m/s2，C错，D对2 (2011天津理综11)如图2所示，两根足够长的光滑平行金属导轨MN、PQ间距为l0.5 m，其电阻不计，两导轨及其构成的平面均与水平面成30角完全相同的两金属棒ab、cd分别垂直导轨放置，每棒两端都与导轨始终有良好接触，已知两棒质量均为m0.02 kg，电阻均为R0.1 ，整个装置处在垂直于导轨平面对上的匀强磁场中，磁感应强度B0.2 T，棒ab在平行于导轨向上的力F作用下，沿导轨向上匀速运动，而棒cd恰好能够保持静止，取g10 m/s2，问：(1)通过棒cd的电流I是多少，方向如何？(2)棒ab受到的力F多大？(3)棒cd每产生Q0.1 J的热量，力F做的功W是多少？答案(1)1 A方向由d至c(2)0.2 N(3)0.4 J解析(1)棒cd受到的安培力FcdIlB棒cd在共点力作用下受力平衡，则Fcdmgsin 30代入数据解得I1 A依据楞次定律可知，棒cd中的电流方向由d至c(2)棒ab与棒cd受到的安培力大小相等FabFcd对棒ab，由受力平衡知Fmgsin 30IlB代入数据解得F0.2 N(3)设在时间t内棒cd产生Q0.1 J的热量，由焦耳定律知QI2Rt设棒ab匀速运动的速度大小为v，其产生的感应电动势EBlv由闭合电路欧姆定律知I由运动学公式知在时间t内，棒ab沿导轨的位移svt力F做的功WFs综合上述各式，代入数据解得W0.4 J3 如图3所示，两根平行金属导轨固定在同一水平面内，间距为l，导轨左端连接一个电阻一根质量为m、电阻为r的金属杆ab垂直放置在导轨上在杆的右方距杆为d处有一个匀强磁场，磁场方向垂直于轨道平面对下，磁感应强度为B.对杆施加一个大小为 图3F、方向平行于导轨的恒力，使杆从静止开头运动，已知杆到达磁场区域时速度为v，之后进入磁场恰好做匀速运动不计导轨的电阻，假定导轨与杆之间存在恒定的阻力求：(1)导轨对杆ab的阻力大小Ff.(2)杆ab中通过的电流及其方向(3)导轨左端所接电阻的阻值R.答案(1)F(2)，方向由a流向b(3)r解析(1)杆ab进入磁场前做匀加速运动，有FFfmav22ad解得导轨对杆的阻力FfF(2)杆ab进入磁场后做匀速运动，有FFfF安杆ab所受的安培力F安IBl解得杆ab中通过的电流I由右手定则推断杆中的电流方向自a流向b(3)杆运动过程中产生的感应电动势EBlv杆中的感应电流I解得导轨左端所接电阻阻值Rr题组2电磁感应中的能量问题4 如图4所示，竖直放置的两根足够长平行金属导轨相距L，导轨间接有一定值电阻R，质量为m，电阻为r的金属棒与两导轨始终保持垂直并良好接触，且无摩擦，整个装置放在匀强磁场中，磁场方向与导轨平面垂直，现将金属棒由静止释放，金属棒下落高度为h时开头做匀速运动，在此过程中 () 图4A导体棒的最大速度为B通过电阻R的电荷量为C导体棒克服安培力做的功等于电阻R上产生的热量D重力和安培力对导体棒做功的代数和等于导体棒动能的增加量答案BD解析金属棒由静止释放后，当a0时，速度最大，即mgBL0，解得vm，A项错误此过程通过R的电荷量qtt，B项正确导体棒克服安培力做的功等于整个电路产生的热量，C项错误由动能定理知对导体棒有EkW重W安，D项正确5 (2011上海单科32)如图5所示，电阻可忽视的光滑平行金属导轨长s1.15 m，两导轨间距L0.75 m，导轨倾角为30，导轨上端ab接一阻值R1.5 的电阻，磁感应强度B0.8 T的匀强磁场垂直轨道平面对上阻值r0.5 、质量m0.2 kg的金属棒与轨道垂直且接触良好，从轨道上端ab处由静止开头下滑至底端，在此过程中金属棒产生的焦耳热Qr0.1 J(取g10 m/s2)求：图5(1)金属棒在此过程中克服安培力做的功W安；(2)金属棒下滑速度v2 m/s时的加速度a；(3)为求金属棒下滑的最大速度vm，有同学解答如下：由动能定理，WGW安mv，.由此所得结果是否正确？若正确，说明理由并完成本小题；若不正确，给出正确的解答答案(1)0.4 J(2)3.2 m/s2(3)见解析解析(1)下滑过程中安培力做的功即为电阻上产生的焦耳热，由于R3r，因此QR3Qr0.3 J所以W安QQRQr0.4 J(2)金属棒下滑时受重力和安培力F安BILv由牛顿其次定律得mgsin 30vma所以agsin 30v10 m/s23.2 m/s2(3)此解法正确金属棒下滑时受重力和安培力作用，其运动满足mgsin 30vma上式表明，加速度随速度增大而减小，棒做加速度减小的加速运动无论最终是否达到匀速，当棒到达斜面底端时速度确定为最大由动能定理可以得到棒的最大速度，因此上述解法正确mgssin 30Qmv所以vm m/s2.74 m/s.6 如图6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，处于竖直方向的磁场中，整个磁场由若干个宽度皆为d的条形匀强磁场区域1、2、3、4组成，磁感应强度B1、B2的方向相反，大小相等，即B1B2B.导轨左端MP间接一电阻R，质量为m、电阻为r的细导体棒ab垂直放置在导轨上，与导轨接触良好，不计导轨的电阻现对棒ab施加水平向右的拉力，使其从区域1磁场左边界位置开头以速度v0向右做匀速直线运动并穿越n个磁场区域图6(1)求棒ab穿越区域1磁场的过程中电阻R产生的焦耳热Q；(2)求棒ab穿越n个磁场区域的过程中拉力对棒ab所做的功W；(3)规定棒中从a到b的电流方向为正，画出上述过程中通过棒ab的电流I随时间t变化的图象；(4)求棒ab穿越n个磁场区域的过程中通过电阻R的净电荷量q.答案(1)(2)(3)见解析图(4)或0解析(1)棒产生的感应电动势EBLv0通过棒的感应电流I电阻R产生的焦耳热Q()2R(2)拉力对棒ab所做的功Wn(3)It图象如图所示(4)若n为奇数，通过电阻R的净电荷量q若n为偶数，通过电阻R的净电荷量q0注：(2)问中功W也可用功的定义式求解；(4)问中的电荷量也可用(3)问中的图象面积求出