【物理】2019届一轮复习人教版 电磁感应中的图象问题 学案 18页

专题4.6 电磁感应中的图象问题 ‎1.图象类型 ‎(1)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等随时间变化的图象，即B－t图象、Φ－t图象、E－t图象和I－t图象。‎ ‎(2)对于切割磁感线产生感应电动势和感应电流的情况，有时还常涉及感应电动势E和感应电流I等随位移变化的图象，即E－x图象和I－x图象等。‎ ‎2.两类图象问题 ‎(1)由给定的电磁感应过程选出或画出正确的图象。‎ ‎(2)由给定的有关图象分析电磁感应过程，求解相应的物理量。‎ ‎3.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。‎ ‎4.电磁感应中图象类选择题的两个常用方法 排除法 定性地分析电磁感应过程中物理量的变化趋势(增大还是减小)、变化快慢(均匀变化还是非均匀变化)，特别是分析物理量的正负，以排除错误的选项。‎ 函数法 根据题目所给条件定量地写出两个物理量之间的函数关系，然后由函数关系对图象进行分析和判断。‎ 题型1 磁感应强度变化的图象问题 ‎【典例1】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，规定线圈中感应电流的正方向如图所示，当磁场的磁感应强度B随时间t如图变化时，在图中正确表示线圈感应电动势E变化的是(　　)‎ ‎【答案】　A ‎【解析】　在第1 s内，由楞次定律可判定电流为正，其产生的感应电动势E1＝＝S，在第2 s和第3 s内，磁场B不变化，线圈中无感应电流。在第4 s和第5 s内，B减小，由楞次定律可判定，其电流为负，产生的感应电动势E2＝＝S，由于ΔB1＝ΔB2，Δt2＝2Δt1，故E1＝2E2，由此可知，A选项正确。‎ ‎【典例2】如图甲所示，水平面上的不平行导轨MN、PQ上放着两根光滑导体棒ab、cd，两棒间用绝缘丝线系住；开始时匀强磁场垂直纸面向里，磁感强度B随时间t的变化如图乙所示．则以下说法正确的是(　　)‎ 甲　　　　　　　　　乙 A．在t0时刻导体棒ab中无感应电流 B．在t0时刻导体棒ab所受安培力方向水平向左 C．在0 t0时间内回路电流方向是acdba D．在0 t0时间内导体棒ab始终静止 ‎【答案】 C　‎ 式F＝BIL知此时ab和cd都不受安培力，故B错误；在0 t0时间内，根据楞次定律可知ab受力向左，cd受力向右，由于cd所受的安培力比ab的安培力大，所以ab将向右运动，故D错误．‎ ‎【跟踪训练】‎ ‎1矩形导线框abcd如图甲所示放在匀强磁场中，磁感线方向与线框平面垂直，磁感应强度B随时间变化的图象如图乙所示．t＝0时刻，磁感应强度的方向垂直纸面向里．若规定导线框中感应电流沿逆时针方向为正，则在0 4 s时间内，线框中的感应电流I以及线框的ab边所受安培力F随时间变化的图象为(安培力取向上为正方向)(　　)‎ ‎【答案】 C　‎ ‎【解析】 由法拉第电磁感应定律E＝＝S及图象可知，感应电动势E大小不变，电流大小也不变，A项错；由闭合电路欧姆定律I＝及安培力公式F＝BIL可知，安培力与磁感应强度成正比，D项错；由楞次定律可知，0 2 s内感应电流方向为顺时针方向，2 4 s为逆时针方向，B项错；由左手定则可知，第1 s和第3 s安培力竖直向上，第2 s和第4 s安培力竖直向下，C项正确．‎ ‎2. 将一段导线绕成图甲所示的闭合回路，并固定在水平面(纸面)内。回路的ab边置于垂直纸面向里的匀强磁场Ⅰ中。回路的圆环区域内有垂直纸面的磁场Ⅱ，以向里为磁场Ⅱ的正方向，其磁感应强度B随时间t变化的图象如图乙所示。用F表示ab边受到的安培力，以水平向右为F的正方向，能正确反应F随时间t变化的图象是 (　　)‎ ‎【答案】　B 定的正方向相同。综上可知，选项B正确。‎ ‎3. 如图甲所示，光滑导轨水平放置在竖直方向的匀强磁场中，匀强磁场的磁感应强度B随时间的变化规律如图乙所示(规定向下为正方向)，导体棒ab垂直导轨放置，除电阻R的阻值外，其余电阻不计，导体棒ab在水平外力F的作用下始终处于静止状态。规定a→b的方向为电流的正方向，水平向右的方向为外力的正方向，则在0 2t0时间内，能正确反映流过导体棒ab的电流与时间或外力与时间关系的图线是(　　)‎ ‎【答案】D ‎【解析】 在0 t0时间内磁通量为向上减少，t0 2t0时间内磁通量为向下增加，两者等效，且根据B－t图线可知，两段时间内磁通量的变化率相等，根据楞次定律可判断0 2t0时间内均产生由b到a的大小不变的感应电流，选项A、B均错误；在0 t0可判断所受安培力的方向水平向右，则所受水平外力方向向左，大小F ‎＝BIL，随B的减小呈线性减小；在t0 2t0时间内，可判断所受安培力的方向水平向左，则所受水平外力方向向右，大小F＝BIL，随B的增加呈线性增加，选项D正确。 ‎ 题型2 导体切割磁感线的图象问题 ‎【典例3】如图甲所示，光滑绝缘水平面上，虚线MN的右侧存在磁感应强度B＝2 T的匀强磁场，MN的左侧有一质量m＝0.1 kg的矩形线圈abcd，bc边长L1＝0.2 m，电阻R＝2 Ω.t＝0时，用一恒定拉力F拉线圈，使其由静止开始向右做匀加速运动，经过时间1 s，线圈的bc边到达磁场边界MN，此时立即将拉力F改为变力，又经过1 s，线圈恰好完全进入磁场，整个运动过程中，线圈中感应电流i随时间t变化的图象如图乙所示。则(　　)‎ A．恒定拉力大小为0.05 N B．线圈在第2 s内的加速度大小为1 m/s2‎ C．线圈ab边长L2＝0.5 m D．在第2 s内流过线圈的电荷量为0.2 C ‎【答案】ABD ‎【解析】在第1 s末，i1＝，E＝BL1v1，v1＝at1，F＝ma1，联立得F＝0.05 N，A项正确；在第2 s内，由图象分析知线圈做匀加速直线运动，第2 s末i2＝，E′＝BL1v2，v2＝v1＋a2t2，解得a2＝1 m/s2，B项正确；在第2 s内，v－v＝2a2L2，得L2＝1 m，C项错误；q＝＝＝0.2 C，D项正确。‎ ‎【典例4】将一均匀导线围成一圆心角为90°的扇形导线框OMN，其中OM＝R，圆弧MN的圆心为O点，将导线框的O点置于如图所示的直角坐标系的原点，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。从t＝0时刻开始让导线框以O点为圆心，以恒定的角速度ω沿逆时针方向做匀速圆周运动，假定沿ONM方向的电流为正，则线框中的电流随时间的变化规律描绘正确的是(　　)‎ ‎【答案】　B 在2t0 3t0时间内，线框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E3＝BωR2＋·2BωR2＝BωR2＝3E1；感应电流为I3＝3I1。在3t0 4t0时间内，线框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E4＝BωR2，由闭合电路欧姆定律得，回路电流为I4＝I1，选项B正确。‎ ‎【跟踪训练】‎ ‎1. 如图所示，一直角三角形金属框，向左匀速地穿过一个方向垂直于纸面向内的匀强磁场区域，磁场仅限于虚线边界所围的区域，该区域的形状与金属框完全相同，且金属框的下边与磁场区域的下边在一直线上。若取顺时针方向为电流的正方向，则金属框穿过磁场的过程中感应电流i随时间t变化的图象是(　　)‎ ‎【答案】　C ‎【解析】　根据楞次定律可以判断出金属框进入磁场过程中感应电流的方向，根据金属框切割磁感线的有效长度在变化，可知感应电动势以及感应电流的大小也在变化。在金属框进入磁场过程中，感应电流的方向为逆时针，金属框切割磁感线的有效长度线性增大，排除A、B；在金属框出磁场的过程中，感应电流的方向为顺时针方向，金属框切割磁感线的有效长度线性减小，排除D，故C正确。‎ ‎2．(多选)如图所示，一沿水平方向的匀强磁场分布在宽度为2L的某矩形区域内(长度足够大)，该区域的上、下边界MN、PS是水平的．有一边长为L的正方形导线框abcd从距离磁场上边界MN的某高度处由静止释放穿过该磁场区域，已知当线框的ab边到达PS时线框刚好做匀速直线运动．从线框的ab边到达MN时开始计时，以MN上某点为坐标原点，取如图坐标轴x，并规定逆时针方向为感应电流的正方向，向上为力的正方向．则关于线框中的感应电流i和线框所受到的安培力F与ab边的位置坐标x关系的图线中，可能正确的是(　　)‎ ‎【答案】 AD　‎ 由于ab边穿出磁场时速度较大，产生的感应电流较大，且电流与线框的速度成正比，即线框受到的安培力与线框的速度也成正比，故电流逐渐增大，安培力也逐渐增大．在0 L段，由前面分析知，感应电流小于I0，因此安培力小于mg，根据左手定则知安培力方向向上，在L 2L 段，线框内感应电流为0，所以安培力为0，在2L 3L段，线框做匀速直线运动，故受力平衡，即安培力等于重力，方向向上，故C错误，D正确．‎ ‎3. 如图所示，M、N为同一水平面内的两条平行长直导轨，左端串联电阻R，金属杆ab垂直导轨放置，金属杆和导轨的电阻不计，杆与导轨间接触良好且无摩擦，整个装置处于竖直方向的匀强磁场中。现对金属杆ab施加一个与其垂直的水平方向的恒力F，使金属杆从静止开始运动。在运动过程中，金属杆的速度大小为v，R上消耗的总能量为E，则下列关于v、E随时间变化的图象可能正确的是(　　)‎ ‎【答案】　AD ‎【解析】　对金属杆ab施加一个与其垂直的水平方向的恒力F，使金属杆从静止开始运动。由于金属杆切割磁感线产生感应电动势和感应电流，受到随速度的增大而增大的安培力作用，所以金属杆做加速度逐渐减小的加速运动，当安培力增大到等于水平方向的恒力F时，金属杆做匀速直线运动，v－t图象A正确，B错误；由功能关系知，开始水平方向的恒力F做的功一部分使金属杆动能增大，另一部分转化为电能，被电阻R消耗掉；当金属杆匀速运动后，水平方向的恒力F所做的功等于R上消耗的总能量E，因此E－t图象可能正确的是选项D。 ‎ ‎4．如图所示，导体直导轨OM和PN平行且OM与x轴重合，两导轨间距为d，两导轨间垂直纸面向里的匀强磁场沿y轴方向的宽度按y＝d的规律分布，两金属圆环固定在同一绝缘平面内，内、外圆环与两导轨接触良好，与两导轨接触良好的导体棒从OP开始始终垂直导轨沿x轴正方向以速度v做匀速运动，规定内圆环a端电势高于b端时，a、b间的电压uab为正，下列uab－x图象可能正确的是(　　)‎ A． A B． B C． C D． D ‎【答案】D ‎【解析】导体棒向右匀速运动切割磁感线产生感应电动势，e＝Byv＝Bdvsinx，大环内的电流为正弦交变电流；在第一个磁场区域的前一半时间内，通过大圆环的电流为顺时针增加的，由楞次定律可判断内球内a端电势高于b端，因电流的变化率逐渐减小故内环的电动势逐渐减小，同理可知，在第一个磁场区域的后一半时间内，通过大圆环的电流为顺时针逐渐减小；则由楞次定律可知，a环内电势低于b端，因电流的变化率逐渐变大，故内环的电动势变大；故D正确；ABC错误；故选D。‎ ‎5．如图甲所示，足够长的光滑平行金属导轨MN、PQ竖直放置，其宽度L＝1m，一匀强磁场垂直穿过导轨平面，导轨的上端M与P之间连接阻值为R＝0.40 Ω的电阻，质量为m＝0.01kg、电阻为r＝0.30 Ω的金属棒ab紧贴在导轨上．现使金属棒ab由静止开始下滑，下滑过程中ab始终保持水平，且与导轨接触良好，其下滑距离x与时间t的关系如图乙所示，图象中的OA段为曲线，AB段为直线，导轨电阻不计，g＝10 m/s2(忽略金属棒ab运动过程中对原磁场的影响)，试求：‎ ‎(1)当t＝1.5 s时，重力对金属棒ab做功的功率；‎ ‎(2)金属棒ab从开始运动的1.5 s内，电阻R上产生的热量；‎ ‎(3)磁感应强度B的大小．‎ ‎【答案】(1)0.7 W　(2)0.26 J　(3)0.1 T ‎【解析】(1)金属棒ab先做加速度减小的加速运动，t＝1.5s后以速度vt匀速下落 由题图乙知 由功率定义得t＝1.5 s时，重力对金属棒ab做功的功率PG＝mgvt＝0.01×10×7W＝0.7W ‎(2)在0 1.5 s，以金属棒ab为研究对象，根据动能定理得:‎ 解得:W安＝0.455J 闭合回路中产生的总热量Q＝W安＝0.455J 电阻R上产生的热量 题型3 电磁感应中双电源问题与图象的综合 ‎【典例5】如图所示为两个有界匀强磁场，磁感应强度大小均为B，方向分别垂直纸面向里和向外，磁场宽度均为L，距磁场区域的左侧L处，有一边长为L的正方形导体线框，总电阻为R，且线框平面与磁场方向垂直，现用外力F使线框以速度v匀速穿过磁场区域，以初始位置为计时起点，规定电流沿逆时针方向时的电动势E为正，磁感线垂直纸面向里时磁通量Φ的方向为正，外力F向右为正。则以下关于线框中的磁通量Φ、感应电动势E、外力F和电功率P随时间变化的图象正确的是(　　)‎ ‎【答案】　D ‎【解析】　当线框运动L时开始进入磁场，磁通量开始增加，当全部进入时达到最大；此后向外的磁通量增加，总磁通量减小；当运动到2.5L时，磁通量最小，故选项A错误；当线框进入第一个磁场时，由E＝BLv可知，E保持不变，而开始进入第二个磁场时，两边同时切割磁感线，电动势应为2BLv，故选项B错误；因安培力总是与运动方向相反，故拉力应一直向右，故选项C错误；拉力的功率P＝Fv ‎，因速度不变，而线框在第一个磁场时，电流为定值，拉力也为定值；两边分别在两个磁场中时，由选项B的分析可知，电流加倍，回路中总电动势加倍，功率变为原来的4倍；此后从第二个磁场中离开时，安培力应等于线框在第一个磁场中的安培力，所以功率应等于在第一个磁场中的功率，故选项D正确。‎ ‎【跟踪训练】‎ ‎1．如图所示，两磁感应强度大小相等、方向相反的有界磁场，磁场区域宽度均为d，一底边长为2d的三角形金属线框以一定的速度匀速通过两磁场的过程中，三角形线框中的感应电流i随时间t的变化图象正确的是(取逆时针方向为正)(　　)‎ ‎【答案】D　‎ ‎【解析】 ‎ 流且由零均匀增大到I0；由4位置到最后全部出磁场，为逆时针方向的电流且由I0均匀减小到零；综上所述选项D正确．‎ ‎2. 如图所示为有理想边界的两个匀强磁场，磁感应强度均为B＝0.5 T，两边界间距s＝0.1 m，一边长L＝0.2 m的正方形线框abcd由粗细均匀的电阻丝围成，总电阻为R＝0.4 Ω，现使线框以v＝2 m/s的速度从位置Ⅰ匀速运动到位置Ⅱ，则下列能正确反映整个过程中线框a、b两点间的电势差Uab随时间t变化的图线是(　　)‎ ‎【答案】　A ‎【解析】　ab边切割磁感线产生的感应电动势为E＝BLv＝0.2 V，线框中感应电流为I＝＝0.5 A，所以在0 5×10－2 s时间内，a、b两点间电势差为U1＝I·R＝0.15 V。在5×10－2 10×10－2 s时间内，a、b两点间电势差U2＝E＝0.2 V；在10×10－2 15×‎ ‎10－2 s时间内，a、b两点间电势差为U3＝I·R＝0.05 V，选项A正确。‎ 高考+模拟综合提升训练 ‎1．（2018湖北省武汉市部分学校高三9月起点调研考试）‎ 如图(a)所示，在足够长的光滑的斜面上放置着金属线框，垂直于斜面方向的匀强磁场的磁感应强度B随时问的变化规律如图(b)所示（规定垂直斜面向上为正方向）。t=0时刻将线框由静止释放，在线框下滑的过程中，下列说法正确的是 A． 线框中产生大小、方向周期性变化的电流 B． MN边受到的安培力先减小后增大 C． 线框做匀加速直线运动 D． 线框中产生的焦耳热等于其机械能的损失 ‎【答案】BC ‎【解析】穿过线圈的磁通量先向下减小，后向上增加，则根据楞次定律可知，感应电流方向不变，选项A错误；因B的变化率不变，则感应电动势不变，感应电流不变，而B的大小先减后增加，根据F=BIL可知，MN边受到的安培力先减小后增大，选项B正确；因线圈平行的两边电流等大反向，则整个线圈受的安培力为零，则线圈下滑的加速度为gsinθ不变，则线框做匀加速直线运动，选项C正确；因安培力对线圈不做功，斜面光滑，则线框的机械能守恒，选项D错误；故选BC.‎ ‎2．（2019届山西省部分学校高三8月摸底调研）‎ 如图1所示，ab是两平行正对的金属圆环，a中通有正弦交变电流i，其变化规律如图2所示。下列说法正确的是 A． t1时刻，b环内的感应电动势为零 B． t2时刻，b环内的感应电流方向改变 C． t3 t4时间内，b环内感应电流的方向与a环内电流的方向相反 D． 0 t4时间内，t2时刻b环内的感应电动势最大 ‎【答案】AD 内的感应电动势最大，选项D正确；故选AD.‎ ‎3．（2018四川省成都市高中毕业班摸底测试）‎ 矩形导线框abcd放在匀强磁场中，磁感线方向与线圈平面垂直，磁感应强度B随时间变化的图象如图所示，t=0时刻，磁感应强度的方向垂直纸面向里。若规定导线框中感应电流逆时针方向为正，安培力方向取向上为正。则在0 4 s时间内，线框中的感应电流I、ab边所受安培力F随时间变化的图象正确的是（ ）‎ A． B． ‎ C． D． ‎ ‎【答案】AC ‎【解析】由图可知，0-2s内，线圈中磁通量的变化率相同，故0-2s内电流的方向相同，由楞次定律可知，电路中电流方向为顺时针，即电流为负方向；同理可知，2-4s内电路中的电流为逆时针，且两段时间内电流强度大小时等，故A正确，B错误；由可知，电路中电流大小时恒定不变，故由F=BIL可知，F与B成正比；且b中电流一直为由a至b，则由左手定律可知，电流方向0时刻为向上，为正，故C正确，D错误；故选AC。‎ ‎4．（2018安徽省池州市高二下期末质量检测）‎ 如图甲所示，一个阻值为的电阻与阻值为单匝圆形金属线圈连接成闭合回路。金属线圈的面积，在线圈中存在垂直于线圈平面向里的匀强磁场，磁感应强度B随时间t变化的关系图线如图乙所示，导线的电阻不计，在前2s时间内 A． 流过电阻R的电流方向从E到F B． 流过电阻R的电流0.4A C． 通过电阻R的电荷量0.2C D． 电阻R上产生的热量0.064J ‎【答案】AD ‎【解析】由楞次定律可知：通过R的电流方向为E→F；选项A正确；由法拉第电磁感应定律得：感应电动势：；感应电流：，选项B错误；前2s时间内通过电阻R的电荷量，选项C错误；电阻R上产生的热量，选项D正确；故选AD.‎ ‎5．（2018四川省绵阳市高二下期末考试）‎ 如图甲所示的电路中，螺线管匝数为，横截面积为,总电阻为，外接电阻的阻值为，电容器的电容为,闭合开关，在一段时间内，穿过螺线管的磁场磁感应强度按如图乙所示的规律变化，时间内磁场方向如图甲所示，则（ ）‎ A． 与时间内，螺线管中的感应电动势方向相反 B． 与时间内，螺线管中的感应电动势大小都是 C． 电阻两端的电压是 D． 电容器下极板始终带正电，且所带电荷量是 ‎【答案】BD 确；‎ C．根据闭合电路欧姆定律，电阻两端的电压U== ，故C错误；‎ D．因为感应电动势方向始终为逆时针，电容器下极板始终带正电，根据Q=CU，电容器所带电荷量是，故D正确。‎ 故选：BD ‎6．（2019届江苏省常州一中高三第一期初（8月）考试）‎ 如图，在同一平面内有两根平行长导轨，导轨间存在依次相邻的矩形匀强磁场区域，区域宽度均为,磁感应强度大小相等、方向交替向上向下.一边长为的正方形金属线框在导轨上向左匀速运动，线框中感应电流i随时间t变化的正确图线可能是（ ）‎ A． B． ‎ C． D． ‎ ‎【答案】A ‎【解析】设磁感应强度为B，线圈的速度为v、电阻为R；如果某时刻左边位于方向向外的磁场中、右边位于方向向里的磁场中，此时两边都切割磁感应线，产生的感应电动势为：E1=2BLv，根据电流为：，根据右手定则可知电流方向为顺时针；当左右两边都处于方向相同的磁场中时，感应电动势为零，感应电流为零；当左边位于方向向里的磁场中、右边位于方向向外的磁场中，此时两边都切割磁感应线，产生的感应电动势为：E2=2BLv，根据电流为：，根据右手定则可知电流方向为逆时针。故A正确、BCD错误。故选A。 ‎ ‎7．（2019届河南省洛阳市孟津县第二高级中学高三9月月考调研考试）‎ 如图1所示，电阻值为R、匝数为n的圆形金属线圈与阻值也为R的电阻连接成闭合回路，线圈的半径为a。在线圈内有一垂直于线圈平面向里的边界为线圈内接正方形的匀强磁场，磁感应强度B随时间t变化的规律如图2所示（图中字母均为已知量，0 t1图线为直线），导线的电阻不计。求：‎ ‎(1)0 t1时间内电阻R上产生的热量；‎ ‎(2)t1 t2时间通过电阻R的电量q。‎ ‎【答案】(1) (2) ‎ ‎【解析】（1）由法拉第电磁感应定律可得感应电动势：‎ ‎ ‎ 感应电流： ‎ 在0-t1时间内电阻R上产生的热量：‎ ‎（2）通过电阻R的电量：‎ ‎8．（2019届安徽省合肥市高三上调研性检测）‎ 如图甲所示，匝数n=200匝的圆形线圈，横截面积，电阻r=1Ω；在线圈内存在横截面积的磁场区域，磁感应强度B随时间t变化的关系如图乙所示，方向垂直线圈平面向外，将一阻值R=3Ω的电阻与图甲中的a、b端连接，求：‎ ‎（1）线圈中产生的感应电动势E；‎ ‎（2）电阻R两端电势差。‎ ‎【答案】（1） （2） ‎ 此时通过电阻R的电流；‎ 电阻R两端的电势差。‎