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2019-2020學(xué)年高中物理 第一章 電磁感應(yīng) 第五節(jié) 課時(shí)3 電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)及能量問(wèn)題學(xué)案 粵教版選修3-2

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2019-2020學(xué)年高中物理 第一章 電磁感應(yīng) 第五節(jié) 課時(shí)3 電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)及能量問(wèn)題學(xué)案 粵教版選修3-2_第1頁(yè)
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2019-2020學(xué)年高中物理 第一章 電磁感應(yīng) 第五節(jié) 課時(shí)3 電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)及能量問(wèn)題學(xué)案 粵教版選修3-2_第3頁(yè)
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《2019-2020學(xué)年高中物理 第一章 電磁感應(yīng) 第五節(jié) 課時(shí)3 電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)及能量問(wèn)題學(xué)案 粵教版選修3-2》由會(huì)員分享,可在線閱讀,更多相關(guān)《2019-2020學(xué)年高中物理 第一章 電磁感應(yīng) 第五節(jié) 課時(shí)3 電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)及能量問(wèn)題學(xué)案 粵教版選修3-2(18頁(yè)珍藏版)》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、課時(shí)3 電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)及能量問(wèn)題 [學(xué)科素養(yǎng)與目標(biāo)要求]  物理觀念:進(jìn)一步熟練掌握牛頓運(yùn)動(dòng)定律、動(dòng)能定理、能量守恒定律等力學(xué)基本規(guī)律. 科學(xué)思維:1.掌握電磁感應(yīng)中動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的分析方法,建立解決電磁感應(yīng)中動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的思維模型.2.理解電磁感應(yīng)過(guò)程中能量的轉(zhuǎn)化情況,能用能量的觀點(diǎn)分析和解決電磁感應(yīng)問(wèn)題. 一、電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題 電磁感應(yīng)問(wèn)題往往與力學(xué)問(wèn)題聯(lián)系在一起,處理此類問(wèn)題的基本方法: (1)用法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律求感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小和方向. (2)用閉合電路歐姆定律求回路中感應(yīng)電流的大小和方向. (3)分析導(dǎo)體的受力情況(包括安培力). (4)列動(dòng)力學(xué)

2、方程(a≠0)或平衡方程(a=0)求解. 例1 如圖1所示,空間存在B=0.5T、方向豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng),MN、PQ是水平放置的平行長(zhǎng)直導(dǎo)軌,其間距L=0.2m,R=0.3Ω的電阻接在導(dǎo)軌一端,ab是跨接在導(dǎo)軌上質(zhì)量m=0.1kg、接入電路的電阻r=0.1Ω的導(dǎo)體棒,已知導(dǎo)體棒和導(dǎo)軌間的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.2.從零時(shí)刻開(kāi)始,對(duì)ab棒施加一個(gè)大小為F=0.45N、方向水平向左的恒定拉力,使其從靜止開(kāi)始沿導(dǎo)軌滑動(dòng),過(guò)程中棒始終保持與導(dǎo)軌垂直且接觸良好,求:(g=10m/s2) 圖1 (1)導(dǎo)體棒所能達(dá)到的最大速度; (2)試定性畫(huà)出導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)的速度-時(shí)間圖象. 答案 (1)10m/s (

3、2)見(jiàn)解析圖 解析(1)導(dǎo)體棒切割磁感線運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì): E=BLv① 回路中的感應(yīng)電流I=② 導(dǎo)體棒受到的安培力F安=BIL③ 導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到拉力F、安培力F安和摩擦力Ff的作用,根據(jù)牛頓第二定律: F-μmg-F安=ma④ 由①②③④得:F-μmg-=ma⑤ 由⑤可知,隨著速度的增大,安培力增大,加速度a減小,當(dāng)加速度a減小到0時(shí),速度達(dá)到最大. 此時(shí)有F-μmg-=0 可得:vm==10 m/s. (2)由(1)中分析可知,導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)的速度-時(shí)間圖象如圖所示. 例2 如圖2甲所示,兩根足夠長(zhǎng)的直金屬導(dǎo)軌MN、PQ平行放置在傾角為θ的絕緣斜面上,

4、兩導(dǎo)軌間距為L(zhǎng),M、P兩點(diǎn)間接有阻值為R的電阻,一根質(zhì)量為m的均勻直金屬桿ab放在兩導(dǎo)軌上,并與導(dǎo)軌垂直,整套裝置處于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,磁場(chǎng)方向垂直于斜面向下,導(dǎo)軌和金屬桿的電阻可忽略,讓ab桿沿導(dǎo)軌由靜止開(kāi)始下滑,導(dǎo)軌和金屬桿接觸良好,不計(jì)它們之間的摩擦力.(重力加速度為g) 圖2 (1)由b向a方向看到的裝置如圖乙所示,請(qǐng)?jiān)诖藞D中畫(huà)出ab桿下滑過(guò)程中某時(shí)刻的受力示意圖; (2)在加速下滑過(guò)程中,當(dāng)ab桿的速度大小為v時(shí),求此時(shí)ab桿中的電流及其加速度的大??; (3)求在下滑過(guò)程中,ab桿可以達(dá)到的速度最大值. 答案 (1)見(jiàn)解析圖 (2) gsinθ- (3) 解

5、析 (1)由右手定則可知,ab桿中電流方向?yàn)閍→b,如圖所示, ab桿受重力mg,方向豎直向下;支持力FN,方向垂直于導(dǎo)軌平面向上;安培力F安,方向沿導(dǎo)軌向上. (2)當(dāng)ab桿的速度大小為v時(shí),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=BLv, 此時(shí)電路中的電流I== ab桿受到的安培力F安=BIL= 根據(jù)牛頓第二定律,有 mgsinθ-F安=mgsinθ-=ma 則a=gsinθ-. (3)當(dāng)a=0時(shí),ab桿有最大速度vm,即mgsinθ=,解得vm=. 提示 1.受力分析時(shí),要把立體圖轉(zhuǎn)換為平面圖,同時(shí)標(biāo)明電流方向及磁場(chǎng)的方向,以便準(zhǔn)確地畫(huà)出安培力的方向. 2.要特別注意安培力的大小和方向都有

6、可能變化. [學(xué)科素養(yǎng)] 例1、例2考查了電磁感應(yīng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題,在處理該類問(wèn)題時(shí),要把握好受力情況、運(yùn)動(dòng)情況的動(dòng)態(tài)分析. 基本思路:導(dǎo)體受外力運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生感應(yīng)電流導(dǎo)體受安培力―→合外力變化加速度變化―→速度變化―→感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變化……→a=0,v達(dá)到最大值.將電磁感應(yīng)與受力分析、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、物體的平衡等知識(shí)有機(jī)結(jié)合,培養(yǎng)了學(xué)生的綜合分析、科學(xué)推理能力,很好地體現(xiàn)了物理“科學(xué)思維”的核心素養(yǎng). 二、電磁感應(yīng)中的能量問(wèn)題 1.電磁感應(yīng)中能量的轉(zhuǎn)化 (1)轉(zhuǎn)化方式 (2)涉及的常見(jiàn)功能關(guān)系 ①有滑動(dòng)摩擦力做功,必有內(nèi)能產(chǎn)生; ②有重力做功,重力勢(shì)能必然發(fā)生變化; ③克

7、服安培力做多少功,就有多少其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能. 2.焦耳熱的計(jì)算 (1)電流恒定時(shí),根據(jù)焦耳定律求解,即Q=I2Rt. (2)感應(yīng)電流變化,可用以下方法分析: ①利用動(dòng)能定理,求出克服安培力做的功W安,即Q=W安. ②利用能量守恒定律,焦耳熱等于其他形式能量的減少量. 例3 如圖3所示,MN和PQ是電阻不計(jì)的平行金屬導(dǎo)軌,其間距為L(zhǎng),導(dǎo)軌彎曲部分光滑,平直部分粗糙,二者平滑連接.右端接一個(gè)阻值為R的定值電阻.平直部分導(dǎo)軌左邊區(qū)域有寬度為d、方向豎直向上、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng).質(zhì)量為m、接入電路的電阻也為R的金屬棒從高度為h處由靜止釋放,到達(dá)磁場(chǎng)右邊界處恰好停止.已知金屬

8、棒與平直部分導(dǎo)軌間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ,金屬棒與導(dǎo)軌垂直且接觸良好,重力加速度為g.則金屬棒穿過(guò)磁場(chǎng)區(qū)域的過(guò)程中(  ) 圖3 A.流過(guò)金屬棒的最大電流為 B.通過(guò)金屬棒的電荷量為 C.克服安培力所做的功為mgh D.金屬棒產(chǎn)生的焦耳熱為mg(h-μd) 答案 D 解析 金屬棒沿彎曲部分下滑過(guò)程中,機(jī)械能守恒,由機(jī)械能守恒定律得:mgh=mv2,金屬棒到達(dá)平直部分時(shí)的速度v=,金屬棒到達(dá)平直部分后做減速運(yùn)動(dòng),剛到達(dá)平直部分時(shí)的速度最大,最大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=BLv,最大感應(yīng)電流I==,故A錯(cuò)誤; 通過(guò)金屬棒的感應(yīng)電荷量q=Δt==,故B錯(cuò)誤; 金屬棒在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,由動(dòng)能定理得

9、:mgh-W安-μmgd=0-0,克服安培力做功:W安=mgh-μmgd,故C錯(cuò)誤; 克服安培力做的功轉(zhuǎn)化為焦耳熱,定值電阻與金屬棒的電阻相等,通過(guò)它們的電流相等,則金屬棒產(chǎn)生的焦耳熱:Q′=Q=W安=mg(h-μd),故D正確. 例4 如圖4所示,足夠長(zhǎng)的平行光滑U形導(dǎo)軌傾斜放置,所在平面的傾角θ=37°,導(dǎo)軌間的距離L=1.0m,下端連接R=1.6Ω的電阻,導(dǎo)軌電阻不計(jì),所在空間存在垂直于導(dǎo)軌平面向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度B=1.0T.質(zhì)量m=0.5kg、電阻r=0.4Ω的金屬棒ab垂直置于導(dǎo)軌上,現(xiàn)用沿導(dǎo)軌平面且垂直于金屬棒、大小為F=5.0N的恒力使金屬棒ab從靜止開(kāi)始沿導(dǎo)軌向上滑

10、行,當(dāng)金屬棒滑行s=2.8m后速度保持不變.求:(sin37°=0.6,cos37°=0.8,g=10m/s2) 圖4 (1)金屬棒勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度大小v; (2)金屬棒從靜止到剛開(kāi)始勻速運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,電阻R上產(chǎn)生的熱量QR. 答案 (1)4m/s (2)1.28J 解析 (1)金屬棒勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電流I= 對(duì)金屬棒進(jìn)行受力分析,由平衡條件有 F=mgsinθ+BIL 代入數(shù)據(jù)解得v=4m/s. (2)設(shè)整個(gè)電路中產(chǎn)生的熱量為Q,由動(dòng)能定理得Fs-mgs·sinθ-W安=mv2,而Q=W安,QR=Q,代入數(shù)據(jù)解得QR=1.28J. 1.(電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題

11、)如圖5所示,MN和PQ是兩根互相平行豎直放置的光滑金屬導(dǎo)軌,已知導(dǎo)軌足夠長(zhǎng),且電阻不計(jì),ab是一根與導(dǎo)軌垂直且始終與導(dǎo)軌接觸良好的金屬桿,開(kāi)始時(shí),將開(kāi)關(guān)S斷開(kāi),讓桿ab由靜止開(kāi)始自由下落,過(guò)段時(shí)間后,再將S閉合,若從S閉合開(kāi)始計(jì)時(shí),則金屬桿ab的速度v隨時(shí)間t變化的圖象不可能是下圖中的(  ) 圖5 答案 B 解析S閉合時(shí),若金屬桿受到的安培力>mg,ab桿先減速再勻速,D項(xiàng)有可能;若=mg,ab桿勻速運(yùn)動(dòng),A項(xiàng)有可能;若<mg,ab桿先加速再勻速,C項(xiàng)有可能;由于v變化,mg-=ma中a不恒定,故B項(xiàng)不可能. 2.(電磁感應(yīng)中的能量問(wèn)題)(多選)如圖6所示,兩根光滑的金屬

12、導(dǎo)軌,平行放置在傾角為θ的斜面上,導(dǎo)軌的左端接有電阻R,導(dǎo)軌自身的電阻可忽略不計(jì).斜面處在一勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,磁場(chǎng)方向垂直于斜面向上.質(zhì)量為m、電阻可以忽略不計(jì)的金屬棒ab,在沿著斜面與棒垂直的恒力F作用下沿導(dǎo)軌勻速上滑,且上升的高度為h,重力加速度為g,在這一過(guò)程中 (  ) 圖6 A.作用于金屬棒上的各個(gè)力的合力所做的功等于零 B.作用于金屬棒上的各個(gè)力的合力所做的功等于mgh與電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱之和 C.恒力F與安培力的合力所做的功等于零 D.恒力F與重力的合力所做的功等于電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱 答案 AD 解析金屬棒勻速上滑的過(guò)程中,對(duì)金屬棒受力分析可知,有三個(gè)力對(duì)金屬棒

13、做功,恒力F做正功,重力做負(fù)功,安培力阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng),沿導(dǎo)軌平面向下,做負(fù)功,勻速運(yùn)動(dòng)時(shí),金屬棒所受合力為零,故合力做功為零,A正確,B、C錯(cuò)誤;克服安培力做多少功就有多少其他形式的能轉(zhuǎn)化為電路中的電能,電能又等于電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱,故恒力F與重力的合力所做的功等于電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱,D正確. 3.(電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)和能量問(wèn)題)(多選)如圖7所示,豎直放置的形光滑導(dǎo)軌寬為L(zhǎng),矩形勻強(qiáng)磁場(chǎng)Ⅰ、Ⅱ的高和間距均為d,磁感應(yīng)強(qiáng)度均為B.質(zhì)量為m的水平金屬桿由靜止釋放,進(jìn)入磁場(chǎng)Ⅰ和Ⅱ時(shí)的速度相等.金屬桿在導(dǎo)軌間的電阻為R,與導(dǎo)軌接觸良好,其余電阻不計(jì),重力加速度為g,則金屬桿(  ) 圖7

14、 A.剛進(jìn)入磁場(chǎng)Ⅰ時(shí)加速度方向豎直向下 B.剛進(jìn)入磁場(chǎng)Ⅰ時(shí)加速度方向豎直向上 C.穿過(guò)兩磁場(chǎng)產(chǎn)生的總熱量為4mgd D.釋放時(shí)距磁場(chǎng)Ⅰ上邊界的高度h可能小于 答案 BC 解析 由于金屬桿進(jìn)入兩個(gè)磁場(chǎng)的速度相等,而穿出磁場(chǎng)后金屬桿做加速度為g的勻加速運(yùn)動(dòng),所以金屬桿進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)應(yīng)做減速運(yùn)動(dòng),加速度方向豎直向上,選項(xiàng)A錯(cuò)誤,B正確;從進(jìn)入磁場(chǎng)Ⅰ瞬間到進(jìn)入磁場(chǎng)Ⅱ瞬間過(guò)程中,根據(jù)能量守恒,金屬桿減小的機(jī)械能全部轉(zhuǎn)化為焦耳熱,所以Q1=mg·2d,所以穿過(guò)兩個(gè)磁場(chǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的總熱量為4mgd,選項(xiàng)C正確;若金屬桿進(jìn)入磁場(chǎng)做勻速運(yùn)動(dòng),則-mg=0,得v=,因金屬桿進(jìn)入磁場(chǎng)做減速運(yùn)動(dòng),則金屬桿進(jìn)入磁

15、場(chǎng)的速度大于,根據(jù)h=得金屬桿進(jìn)入磁場(chǎng)的高度應(yīng)大于=,選項(xiàng)D錯(cuò)誤. 4.(電磁感應(yīng)中的能量問(wèn)題)(2018·懷化市高二上學(xué)期期末)如圖8甲所示,足夠長(zhǎng)、電阻不計(jì)的光滑平行金屬導(dǎo)軌MN、PQ豎直放置,其寬度L=1m,一勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直穿過(guò)導(dǎo)軌平面,導(dǎo)軌的上端M與P之間連接阻值為R=0.40Ω的電阻,質(zhì)量為m=0.01kg、電阻為r=0.30Ω的金屬棒ab緊貼在導(dǎo)軌上.現(xiàn)使金屬棒ab由靜止開(kāi)始下滑,下滑過(guò)程中ab始終保持水平,且與導(dǎo)軌接觸良好,其下滑距離x與時(shí)間t的關(guān)系如圖乙所示,圖象中的OA段為曲線,AB段為直線,g=10m/s2(忽略ab棒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)原磁場(chǎng)的影響). 圖8 (1)判斷金

16、屬棒兩端a、b的電勢(shì)高低; (2)求磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大??; (3)在金屬棒ab開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的1.5s內(nèi),求電阻R上產(chǎn)生的熱量. 答案 (1)a端電勢(shì)低,b端電勢(shì)高 (2)0.1T (3)0.26J 解析  (1)由右手定則可知,ab中的感應(yīng)電流由a流向b,ab相當(dāng)于電源,則b端電勢(shì)高,a端電勢(shì)低. (2)由x-t圖象得t=1.5s時(shí)金屬棒的速度: v==m/s=7 m/s 金屬棒勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的安培力大?。篎=BIL I=,E=BLv 聯(lián)立得:F= 根據(jù)平衡條件得:F=mg 則有:mg= 代入數(shù)據(jù)解得:B=0.1T. (3)金屬棒ab在開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的1.5s內(nèi),金屬棒的重力勢(shì)能

17、減小,轉(zhuǎn)化為金屬棒的動(dòng)能和電路中產(chǎn)生的焦耳熱.設(shè)電路中產(chǎn)生的總焦耳熱為Q 根據(jù)能量守恒定律得:mgx=mv2+Q 代入數(shù)據(jù)解得:Q=0.455J 故R產(chǎn)生的熱量QR=Q=0.26J. 一、選擇題 考點(diǎn)一 電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題 1.如圖1所示,在一勻強(qiáng)磁場(chǎng)中有一U形導(dǎo)線框abcd,線框處于水平面內(nèi),磁場(chǎng)與線框平面垂直,R為一電阻,ef為垂直于ab的一根導(dǎo)體桿,它可在ab、cd上無(wú)摩擦地滑動(dòng).桿ef及線框中導(dǎo)線的電阻都忽略不計(jì).開(kāi)始時(shí),給ef一個(gè)向右的初速度,則(  ) 圖1 A.ef將減速向右運(yùn)動(dòng),但不是勻減速 B.ef將勻減速向右運(yùn)動(dòng),最后停止 C.ef將勻速向右

18、運(yùn)動(dòng) D.ef將往返運(yùn)動(dòng) 答案 A 解析 ef向右運(yùn)動(dòng),切割磁感線,產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流,會(huì)受到向左的安培力而做減速運(yùn)動(dòng),直到停止,由F=BIl==ma知,ef做的是加速度逐漸減小的減速運(yùn)動(dòng),故A正確. 2.如圖2所示,質(zhì)量為m的金屬圓環(huán)用不可伸長(zhǎng)的細(xì)線懸掛起來(lái),金屬圓環(huán)有一半處于水平且與環(huán)面垂直的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,從某時(shí)刻開(kāi)始,磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻減小,則在磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻減小的過(guò)程中,關(guān)于線的拉力大小,下列說(shuō)法中正確的是(重力加速度為g)(  ) 圖2 A.大于環(huán)重力mg,并逐漸減小 B.始終等于環(huán)重力mg C.小于環(huán)重力mg,并保持恒定 D.大于環(huán)重力mg,并保持恒定 答案

19、 A 解析 根據(jù)楞次定律知圓環(huán)中感應(yīng)電流的方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较?,再由左手定則判斷可知圓環(huán)所受安培力豎直向下,對(duì)圓環(huán)受力分析,根據(jù)受力平衡有FT=mg+F安,得FT>mg,F(xiàn)安=BIL,根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律知,I===S,可知I為恒定電流,聯(lián)立上式可知B減小,F(xiàn)安減小,則由FT=mg+F安知FT減小,選項(xiàng)A正確. 3.(多選)用一段橫截面半徑為r、電阻率為ρ、密度為d的均勻?qū)w材料做成一個(gè)半徑為R (r?R)的圓環(huán).圓環(huán)豎直向下落入如圖3所示的徑向磁場(chǎng)中,圓環(huán)的圓心始終在N極的軸線上,圓環(huán)所在位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B.圓環(huán)在加速下滑過(guò)程中某一時(shí)刻的速度為v,忽略其他影響,則(重力加速度為g

20、)(  ) 圖3 A.此時(shí)在圓環(huán)中產(chǎn)生了(俯視)順時(shí)針?lè)较虻母袘?yīng)電流 B.圓環(huán)因受到了向下的安培力而加速下落 C.此時(shí)圓環(huán)的加速度a= D.如果徑向磁場(chǎng)足夠長(zhǎng),則圓環(huán)的最大速度vm= 答案 AD 解析 由右手定則可以判斷感應(yīng)電流的方向?yàn)?俯視)順時(shí)針?lè)较?,可知選項(xiàng)A正確;由左手定則可以判斷,圓環(huán)受到的安培力向上,阻礙圓環(huán)的運(yùn)動(dòng),選項(xiàng)B錯(cuò)誤;圓環(huán)垂直切割磁感線,產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=Blv=B·2πR·v,圓環(huán)的電阻R電=,則圓環(huán)中的感應(yīng)電流 I==,圓環(huán)所受的安培力F安=BI·2πR,圓環(huán)的加速度a=,m=d·2πR·πr2,則a=g-,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;當(dāng)重力等于安培力時(shí)圓環(huán)速度

21、達(dá)到最大,此時(shí)a=0,可得vm=,選項(xiàng)D正確. 4.如圖4所示,在光滑水平桌面上有一邊長(zhǎng)為L(zhǎng)、電阻為R的正方形導(dǎo)線框;在導(dǎo)線框右側(cè)有一寬度為d(d>L)的條形勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域,磁場(chǎng)的邊界與導(dǎo)線框的一邊平行,磁場(chǎng)方向豎直向下.導(dǎo)線框以某一初速度向右運(yùn)動(dòng),t=0時(shí)導(dǎo)線框的右邊恰與磁場(chǎng)的左邊界重合,隨后導(dǎo)線框進(jìn)入并通過(guò)磁場(chǎng)區(qū)域.下列v-t圖象中,能正確描述上述過(guò)程的是(  ) 圖4 答案 D 解析 導(dǎo)線框進(jìn)入磁場(chǎng)的過(guò)程中,線框受到向左的安培力作用,根據(jù)E=BLv、I=、F安=BIL得F安=,隨著v的減小,安培力F安減小,導(dǎo)線框做加速度逐漸減小的減速運(yùn)動(dòng).整個(gè)導(dǎo)線框在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí),無(wú)感

22、應(yīng)電流,導(dǎo)線框做勻速運(yùn)動(dòng),導(dǎo)線框離開(kāi)磁場(chǎng)的過(guò)程中,根據(jù)F安=,導(dǎo)線框做加速度逐漸減小的減速運(yùn)動(dòng),所以選項(xiàng)D正確. 5.(多選)如圖5所示,有兩根和水平方向成α(α<90°)角的光滑平行的金屬軌道,上端接有滑動(dòng)變阻器R,下端足夠長(zhǎng),空間有垂直于軌道平面向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,一根質(zhì)量為m、電阻不計(jì)的金屬桿從軌道上由靜止滑下.經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)的時(shí)間后,金屬桿的速度會(huì)趨近于一個(gè)最大速度vm,則(  ) 圖5 A.如果B增大,vm將變大 B.如果α變大(仍小于90°),vm將變大 C.如果R變大,vm將變大 D.如果m變小,vm將變大 答案 BC 解析 在金屬桿由靜止開(kāi)始下滑的過(guò)

23、程中,金屬桿就相當(dāng)于一個(gè)電源,與滑動(dòng)變阻器R構(gòu)成一個(gè)閉合回路,其受力情況如圖所示, 根據(jù)牛頓第二定律得: mgsinα-=ma 所以金屬桿由靜止開(kāi)始做加速度逐漸減小的加速運(yùn)動(dòng),當(dāng)a=0時(shí)達(dá)到最大速度vm,即mgsinα=,可得:vm=,故由此式知選項(xiàng)B、C正確. 考點(diǎn)二 電磁感應(yīng)中的能量問(wèn)題 6.如圖6所示,紙面內(nèi)有一矩形導(dǎo)體閉合線框abcd,ab邊長(zhǎng)大于bc邊長(zhǎng),置于垂直紙面向里、邊界為MN的勻強(qiáng)磁場(chǎng)外,線框兩次勻速地完全進(jìn)入磁場(chǎng),兩次速度大小相同,方向均垂直于MN.第一次ab邊平行于MN進(jìn)入磁場(chǎng),線框上產(chǎn)生的熱量為Q1,通過(guò)線框?qū)w橫截面的電荷量為q1;第二次bc邊平行于MN

24、進(jìn)入磁場(chǎng),線框上產(chǎn)生的熱量為Q2,通過(guò)線框?qū)w橫截面的電荷量為q2,則 (  ) 圖6 A.Q1>Q2,q1=q2 B.Q1>Q2,q1>q2 C.Q1=Q2,q1=q2 D.Q1=Q2,q1>q2 答案 A 解析根據(jù)功能關(guān)系知,線框上產(chǎn)生的熱量等于克服安培力做的功,即Q1=W1=F1lbc=lbc=lab,同理Q2=lbc,又lab>lbc,故Q1>Q2;因q=t=t==,故q1=q2.因此A正確. 7.如圖7所示,豎直放置的兩根平行金屬導(dǎo)軌之間接有定值電阻R,質(zhì)量不能忽略的金屬棒與兩導(dǎo)軌始終保持垂直并良好接觸且無(wú)摩擦,金屬棒與導(dǎo)軌的電阻均不計(jì),整個(gè)裝置放在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,磁場(chǎng)

25、方向與導(dǎo)軌平面垂直,金屬棒在豎直向上的恒力F作用下加速上升的一段時(shí)間內(nèi),力F做的功與安培力做的功的代數(shù)和等于(  ) 圖7 A.金屬棒的機(jī)械能增加量 B.金屬棒的動(dòng)能增加量 C.金屬棒的重力勢(shì)能增加量 D.電阻R上產(chǎn)生的熱量 答案 A 解析 金屬棒加速上升時(shí)受到重力、拉力F及安培力.根據(jù)功能關(guān)系可知,力F與安培力做功的代數(shù)和等于金屬棒的機(jī)械能的增加量,A正確. 8.(多選)如圖8所示,在方向垂直紙面向里、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域中有一個(gè)由均勻?qū)Ь€制成的單匝矩形線框abcd,線框以恒定的速度v沿垂直磁場(chǎng)方向向右運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)中線框dc邊始終與磁場(chǎng)右邊界平行,線框邊長(zhǎng)ad=L,

26、cd=2L.線框?qū)Ь€的總電阻為R.則在線框離開(kāi)磁場(chǎng)的過(guò)程中,下列說(shuō)法中正確的是(  ) 圖8 A.a(chǎn)d間的電壓為 B.流過(guò)線框橫截面的電荷量為 C.線框所受安培力的合力為 D.線框中的電流在ad邊產(chǎn)生的熱量為 答案 ABD 解析 在線框離開(kāi)磁場(chǎng)的過(guò)程中,線框產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=2BLv,感應(yīng)電流I=,ad間的電壓為U=I·R=·R=,故A正確;流過(guò)線框橫截面的電荷量q=Δt=·Δt=,故B正確;線框所受安培力的合力F=BI·2L=,故C錯(cuò)誤;線框中的電流在ad邊產(chǎn)生的熱量Q=I2·R·=,故D正確. 9.水平放置的光滑平行導(dǎo)軌上放置一根長(zhǎng)為L(zhǎng)、質(zhì)量為m且與導(dǎo)軌接觸良好的導(dǎo)體

27、棒ab,ab處在磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B、方向如圖9所示的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,導(dǎo)軌的一端接一阻值為R的電阻,導(dǎo)軌及導(dǎo)體棒電阻不計(jì).現(xiàn)使ab在水平恒力F作用下由靜止沿垂直于磁場(chǎng)的方向運(yùn)動(dòng),當(dāng)通過(guò)的位移為x時(shí),ab達(dá)到最大速度vm.此時(shí)撤去外力,最后ab靜止在導(dǎo)軌上.在ab運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過(guò)程中,下列說(shuō)法正確的是(  ) 圖9 A.撤去外力后,ab做勻減速運(yùn)動(dòng) B.合力對(duì)ab做的功為Fx C.R上釋放的熱量為Fx+mv D.R上釋放的熱量為Fx 答案 D 解析 撤去外力后,導(dǎo)體棒在水平方向上只受安培力作用,而F安=,F(xiàn)安隨v的變化而變化,故導(dǎo)體棒做加速度變化的減速運(yùn)動(dòng),A錯(cuò);對(duì)整個(gè)過(guò)程由動(dòng)能定理得W

28、合=ΔEk=0,B錯(cuò);由能量守恒定律知,恒力F做的功等于整個(gè)回路產(chǎn)生的電能,電能又轉(zhuǎn)化為R上釋放的熱量,即Q=Fx,C錯(cuò),D對(duì). 10.(多選)(2018·吉安市高二下學(xué)期期末)如圖10所示,光滑斜面PMNQ的傾角為θ=30°,斜面上放置一矩形導(dǎo)體線框abcd,其中ab邊長(zhǎng)L1=0.5m,bc邊長(zhǎng)為L(zhǎng)2,導(dǎo)體線框質(zhì)量m=1kg、電阻R=0.4Ω,有界勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B=2T,方向垂直于斜面向上,ef為磁場(chǎng)的邊界,且ef∥MN.導(dǎo)體線框在沿斜面向上且與斜面平行的恒力F=10N作用下從靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng),其ab邊始終保持與底邊MN平行.已知導(dǎo)體線框剛進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)做勻速運(yùn)動(dòng),且進(jìn)入過(guò)程中通過(guò)導(dǎo)體線框

29、某一橫截面的電荷量q=0.5C,取g=10m/s2,則下列說(shuō)法正確的是(  ) 圖10 A.導(dǎo)體線框進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速度為2m/s B.導(dǎo)體線框bc邊長(zhǎng)為L(zhǎng)2=0.1m C.導(dǎo)體線框開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)ab邊到磁場(chǎng)邊界ef的距離為0.4m D.導(dǎo)體線框進(jìn)入磁場(chǎng)的過(guò)程中產(chǎn)生的熱量為1J 答案 ACD 解析 導(dǎo)體線框剛進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)做勻速運(yùn)動(dòng),則F=mgsin30°+,解得v=2m/s,根據(jù)q==,解得L2=0.2m,選項(xiàng)A正確,B錯(cuò)誤;導(dǎo)體線框在磁場(chǎng)外運(yùn)動(dòng)的加速度a==5m/s2,則導(dǎo)體線框開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)ab邊到磁場(chǎng)邊界ef的距離為x==m=0.4m,選項(xiàng)C正確;由能量守恒定律得,導(dǎo)體線框進(jìn)入磁場(chǎng)的

30、過(guò)程中產(chǎn)生的熱量為Q=FL2-mgL2sin30°=10×0.2J-10×0.2×0.5J=1J,選項(xiàng)D正確. 二、非選擇題 11.如圖11所示,豎直平面內(nèi)有足夠長(zhǎng)的平行金屬導(dǎo)軌,間距為0.2m,金屬導(dǎo)體ab可在導(dǎo)軌上無(wú)摩擦地上下滑動(dòng),ab的電阻為0.4Ω,導(dǎo)軌電阻不計(jì),導(dǎo)體ab的質(zhì)量為0.2g,垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.2T,且磁場(chǎng)區(qū)域足夠大,當(dāng)導(dǎo)體ab自由下落0.4s時(shí),突然閉合開(kāi)關(guān)S,則:(g取10m/s2) 圖11 (1)試說(shuō)出開(kāi)關(guān)S閉合后,導(dǎo)體ab的運(yùn)動(dòng)情況; (2)導(dǎo)體ab勻速下落的速度是多少? 答案 見(jiàn)解析 解析 (1)閉合開(kāi)關(guān)S之前,導(dǎo)體ab自由

31、下落的末速度: v0=gt=4m/s. 開(kāi)關(guān)S閉合瞬間,導(dǎo)體ab產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流,導(dǎo)體ab立即受到一個(gè)豎直向上的安培力. F安=BIL==0.016N>mg=0.002N. 此時(shí)導(dǎo)體ab受到的合力的方向豎直向上,與初速度方向相反,加速度的表達(dá)式為 a==-g,所以導(dǎo)體ab做豎直向下的加速度逐漸減小的減速運(yùn)動(dòng).當(dāng)F安=mg時(shí),導(dǎo)體ab做豎直向下的勻速運(yùn)動(dòng). (2)設(shè)導(dǎo)體ab勻速下落的速度為v1, 此時(shí)F安=mg,即=mg,v1==0.5m/s. 12.(2018·雙流中學(xué)高二月考)如圖12所示,兩根等高的四分之一光滑圓弧軌道,半徑為r、間距為L(zhǎng),圖中Oa水平,O

32、c豎直,在軌道頂端連有一阻值為R的電阻,整個(gè)裝置處在一豎直向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B.現(xiàn)有一根長(zhǎng)度稍大于L、質(zhì)量為m、電阻不計(jì)的金屬棒從軌道的頂端ab處由靜止開(kāi)始下滑,到達(dá)軌道底端cd時(shí)受到軌道的支持力為2mg.整個(gè)過(guò)程中金屬棒與軌道接觸良好,軌道電阻不計(jì),重力加速度為g.求: 圖12 (1)金屬棒到達(dá)軌道底端cd時(shí)的速度大小和通過(guò)電阻R的電流; (2)金屬棒從ab下滑到cd過(guò)程中回路中產(chǎn)生的焦耳熱和通過(guò)R的電荷量. 答案 (1)  (2)mgr  解析 (1)金屬棒到達(dá)軌道底端cd時(shí),由牛頓第二定律得: 2mg-mg=m 解得v= 此時(shí)金屬棒產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=BL

33、v 回路中的感應(yīng)電流I= 聯(lián)立得I=. (2)金屬棒從ab下滑到cd過(guò)程中,由能量守恒定律得mgr=Q+mv2 則回路中產(chǎn)生的焦耳熱Q=mgr 回路中的平均感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)= 回路中的平均感應(yīng)電流= 通過(guò)R的電荷量q=·Δt 解得q=. 13.如圖13所示,足夠長(zhǎng)的U形導(dǎo)體框架的寬度L=0.5m,底端接有阻值R=0.5Ω的電阻,導(dǎo)體框架電阻忽略不計(jì),其所在平面與水平面成θ=37°角.有一磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.8T的勻強(qiáng)磁場(chǎng),方向垂直于導(dǎo)體框架平面向上.一根質(zhì)量m=0.4kg、電阻r=0.5Ω的導(dǎo)體棒MN垂直跨放在U形導(dǎo)體框架上,某時(shí)刻起將導(dǎo)體棒MN由靜止釋放.已知導(dǎo)體棒MN與導(dǎo)體框架間

34、的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.5.(sin37°=0.6,cos37°=0.8,g取10m/s2) 圖13 (1)求導(dǎo)體棒剛開(kāi)始下滑時(shí)的加速度大小; (2)求導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的最大速度; (3)從導(dǎo)體棒開(kāi)始下滑到速度剛達(dá)到最大時(shí)的過(guò)程中,通過(guò)導(dǎo)體棒橫截面的電荷量q=4C,求導(dǎo)體棒MN在此過(guò)程中消耗的電能. 答案 (1)2m/s2 (2)5 m/s (3)1.5J 解析 (1)導(dǎo)體棒剛開(kāi)始下滑時(shí),其受力情況如圖甲所示,則mgsinθ-μmgcosθ=ma 解得a=2m/s2. (2)當(dāng)導(dǎo)體棒勻速下滑時(shí)其受力情況如圖乙所示,設(shè)勻速下滑的速度為v,則有 mgsinθ-f-F安=0 安培力F安=BIL=BL= 聯(lián)立解得v==5m/s. (3)通過(guò)導(dǎo)體棒橫截面的電荷量q=Δt = 設(shè)導(dǎo)體棒下滑速度剛好為最大速度v時(shí)的位移為x,則ΔΦ=BxL 由動(dòng)能定理得,mgx·sinθ-W安-μmgcosθ·x=mv2,其中W安為克服安培力做的功. 聯(lián)立解得W安=3J 克服安培力做的功等于回路在此過(guò)程中消耗的電能,即Q=3J. 則導(dǎo)體棒MN在此過(guò)程中消耗的電能Qr=Q=1.5J. 18

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