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- 2021-05-27 发布
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1.4 电磁感应的案例分析
一、选择题
考点一 电磁感应中的动力学问题
1.如图1所示,在一匀强磁场中有一U形导线框abcd,线框处于水平面内,磁场与线框平面垂直,R为一电阻,ef为垂直于ab的一根导体杆,它可在ab、cd上无摩擦地滑动.杆ef及线框中导线的电阻都可不计.开始时,给ef一个向右的初速度,则( )
图1
A.ef将减速向右运动,但不是匀减速
B.ef将匀减速向右运动,最后停止
C.ef将匀速向右运动
D.ef将往返运动
答案 A
解析 ef向右运动,切割磁感线,产生感应电动势和感应电流,会受到向左的安培力而做减速运动,直到停止,但不是匀减速,由F=BIL==ma知,ef做的是加速度减小的减速运动.故A正确.
8
2.(多选)用一段横截面半径为r、电阻率为ρ、密度为d的均匀导体材料做成一个半径为R(r≪R)的圆环.圆环竖直向下落入如图2所示的径向磁场中,圆环的圆心始终在N极的轴线上,圆环所在位置的磁感应强度大小均为B.圆环在加速下滑过程中某一时刻的速度为v,忽略其他影响,则( )
图2
A.此时在圆环中产生了(俯视)顺时针方向的感应电流
B.圆环因受到了向下的安培力而加速下落
C.此时圆环的加速度a=
D.如果径向磁场足够长,则圆环的最大速度vm=
答案 AD
解析 由右手定则可以判断感应电流的方向为(俯视)顺时针方向,可知选项A正确;由左手定则可以判断,圆环受到的安培力向上,阻碍圆环的运动,选项B错误;圆环垂直切割磁感线,产生的感应电动势E=BLv=B·2πR·v,圆环的电阻R电=,则圆环中的感应电流I==,圆环所受的安培力F安=BI·2πR,圆环的加速度a=,m=d·2πR·πr2,则a=g-,选项C错误;当重力等于安培力时圆环速度达到最大,此时a=0,可得vm=,选项D正确.
3.如图3所示,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图像中,正确描述上述过程的是( )
图3
8
答案 D
解析 导线框进入磁场的过程中,线框受到向左的安培力作用,根据E=BLv、I=、F=BIL得F=,随着v的减小,安培力F减小,导线框做加速度逐渐减小的减速运动.整个导线框在磁场中运动时,无感应电流,导线框做匀速运动,导线框离开磁场的过程中,根据F=,导线框做加速度逐渐减小的减速运动,所以选项D正确.
4.(多选)如图4所示,有两根和水平方向成α(α<90°)角的光滑平行的金属轨道,上端接有可变电阻R,下端足够长,空间有垂直于轨道平面向上的匀强磁场,磁感应强度为B,一根质量为m、电阻不计的金属杆从轨道上由静止滑下.经过足够长的时间后,金属杆的速度会趋近于一个最大速度vm,则( )
图4
A.如果B增大,vm将变大
B.如果α变大(仍小于90°),vm将变大
C.如果R变大,vm将变大
D.如果m变小,vm将变大
答案 BC
解析 金属杆由静止开始滑下的过程中,金属杆就相当于一个电源,与电阻R构成一个闭合回路,其受力情况如图所示,根据牛顿第二定律得:
mgsin α-=ma
8
所以金属杆由静止开始做加速度减小的加速运动,当a=0时达到最大速度vm,即mgsin α=,可得:vm=,故由此式知选项B、C正确.
考点二 电磁感应中的能量问题
5.如图5所示,竖直放置的两根平行金属导轨之间接有定值电阻R,质量不能忽略的金属棒与两导轨始终保持垂直并良好接触且无摩擦,棒与导轨的电阻均不计,整个装置放在匀强磁场中,磁场方向与导轨平面垂直,棒在竖直向上的恒力F作用下加速上升的一段时间内,力F做的功与安培力做的功的代数和等于( )
图5
A.棒的机械能增加量 B.棒的动能增加量
C.棒的重力势能增加量 D.电阻R上产生的热量
答案 A
解析 棒加速上升时受到重力、拉力F及安培力.根据功能关系可知,力F与安培力做功的代数和等于棒的机械能的增加量,A正确.
6.如图6所示,纸面内有a、b两个用同样的导线制成的闭合正方形线圈,匝数均为10匝,边长la=3lb,图示区域内有垂直纸面向里的匀强磁场,且磁感应强度随时间均匀增大,不考虑线圈之间的相互影响,则( )
图6
A.两线圈内产生顺时针方向的感应电流
B.a、b线圈中感应电动势之比为9∶1
C.a、b线圈中感应电流之比为3∶4
D.a、b线圈中电功率之比为3∶1
答案 B
解析 根据楞次定律可知,两线圈内均产生逆时针方向的感应电流,选项A错误;因磁感应强度随时间均匀增大,设=k,根据法拉第电磁感应定律可得E=n=nl2,则=(
8
)2=,选项B正确;根据I====可知,I∝l,故a、b线圈中感应电流之比为3∶1,选项C错误;电功率P=IE=·nl2=,则P∝l3,故a、b线圈中电功率之比为27∶1,选项D错误.
7.水平放置的光滑平行导轨上放置一根长为L、质量为m的导体棒ab,ab处在磁感应强度大小为B、方向如图7所示的匀强磁场中,导轨的一端接一阻值为R的电阻,导轨及导体棒电阻不计.现使ab在水平恒力F作用下由静止沿垂直于磁场的方向运动,当通过的位移为s时,ab达到最大速度vm.此时撤去外力,最后ab静止在导轨上.在ab运动的整个过程中,下列说法正确的是( )
图7
A.撤去外力后,ab做匀减速运动
B.合力对ab做的功为Fs
C.R上释放的热量为Fs+mv
D.R上释放的热量为Fs
答案 D
解析 撤去外力后,导体棒水平方向只受安培力作用,而F安=,F安随v的变化而变化,故导体棒做加速度变化的变速运动,A错;对整个过程由动能定理得W合=ΔEk=0,B错;由能量守恒定律知,恒力F做的功等于整个回路产生的电能,电能又转化为R上释放的热量,即Q=Fs,C错,D正确.
考点三 电磁感应中的动力学及能量综合问题
8.(多选)如图8所示,在方向垂直纸面向里,磁感应强度为B的匀强磁场区域中有一个由均匀导线制成的单匝矩形线框abcd,线框以恒定的速度v沿垂直磁场方向向右运动,运动中线框dc边始终与磁场右边界平行,线框边长ad=L,cd=2L.线框导线的总电阻为R.则在线框离开磁场的过程中,下列说法中正确的是( )
图8
8
A.ad间的电压为
B.流过线框横截面的电荷量为
C.线框所受安培力的合力为
D.线框中的电流在ad边产生的热量为
答案 ABD
解析 ad间的电压为U=I·R=·R=,故A正确;流过线框横截面的电荷量q=IΔt=·Δt=,故B正确;线框所受安培力的合力F=BI·2L=,故C错误;产生的感应电动势E=2BLv,感应电流I=,线框中的电流在ad边产生的热量Q=I2·R·=,故D正确.
二、非选择题
9.如图9所示,相距为L的光滑平行金属导轨ab、cd固定在水平桌面上,上面放有两根垂直于导轨的金属棒MN和PQ,金属棒质量均为m,电阻值均为R.其中MN被系于中点的细绳束缚住,PQ的中点与一绕过定滑轮的细绳相连,绳的另一端系一质量也为m的物块,绳处于拉直状态.整个装置放于竖直向下的匀强磁场中,磁感应强度的大小为B.若导轨的电阻、滑轮的质量及一切摩擦均忽略不计,当物块由静止释放后,求:(重力加速度为g,金属导轨足够长,与MN、PQ相连的绳跟MN、PQ垂直)
图9
(1)细绳对金属棒MN的最大拉力;
(2)金属棒PQ能达到的最大速度.
答案 (1)mg (2)
解析 (1)对棒PQ,开始时做加速度逐渐减小、速度逐渐增大的变加速运动,当加速度为零时,速度达到最大,此时感应电流最大.此后棒PQ做匀速直线运动.
对棒PQ,F安=BLIm=mg
对棒MN,Fm=F安=BLIm=mg.
(2)对棒PQ,F安-mg=0时速度最大
8
E=BLvm,Im=,F安=BLIm
解得vm=.
10.如图10甲所示,不计电阻的平行金属导轨与水平面成37°夹角放置,导轨间距为L=1 m,上端接有电阻R=3 Ω,虚线OO′下方是垂直于导轨平面的匀强磁场.现将质量m=0.1 kg、接入电路的电阻r=1 Ω的金属杆ab从OO′上方某处垂直导轨由静止释放,杆下滑过程中始终与导轨垂直并保持良好接触,杆下滑过程中的v-t图像如图乙所示.(sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,g取10 m/s2)求:
图10
(1)磁感应强度大小B;
(2)杆在磁场中下滑0.1 s过程中电阻R上产生的热量.
答案 (1)2 T (2) J
解析 (1)由题图乙得
0~0.1 s内,杆的加速度
a== m/s2=5 m/s2
0~0.1 s内,由牛顿第二定律有mgsin 37°-f=ma
代入数据得f=0.1 N
0.1 s后杆匀速运动,有mgsin 37°-f-F安=0
而F安=BIL=BL=
解得B=2 T
(2)方法一:杆在磁场中下滑0.1 s的过程中,回路中的电流恒定,有I==0.25 A,
电阻R上产生的热量
QR=I2Rt= J.
方法二:金属杆ab在磁场中匀速运动的位移
s=vt=0.05 m
金属杆ab下落的高度
8
h=ssin θ=0.03 m
由能量守恒有mgh=Q+fs
电阻R产生的热量
QR=Q=(mgh-fs)= J.
11.如图11所示,倾角为θ的U形金属框架下端连接一阻值为R的电阻,相互平行的金属杆MN、PQ间距为L,与金属杆垂直的虚线a1b1、a2b2区域内有垂直框架平面向上的匀强磁场,磁感应强度大小为B,a1b1、a2b2间距离为d,一长为L、质量为m、电阻为R的导体棒在金属框架平面上与磁场上边界a2b2距离d处从静止开始释放,最后匀速通过磁场下边界a1b1.重力加速度为g(金属框架摩擦及电阻不计,空气阻力不计).求:
图11
(1)导体棒刚到达磁场上边界a2b2时速度大小v1;
(2)导体棒匀速通过磁场下边界a1b1时速度大小v2;
(3)导体棒穿越磁场过程中,回路产生的电能.
答案 (1) (2) (3)2mgdsin θ-
解析 (1)导体棒在磁场外沿斜面下滑,只有重力做功,
由机械能守恒定律得:
mgdsin θ=mv
解得:
v1=
(2)导体棒匀速通过匀强磁场下边界a1b1时,由平衡条件:
mgsin θ=F安
F安=BIL=
解得:v2=
(3)由能量守恒定律得:mgdsin θ=mv-mv+Q
解得:Q=2mgdsin θ-.
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