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2022年高考物理總復習 第十章 電磁感應 能力課2 電磁感應中的動力學和能量問題學案

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1、2022年高考物理總復習 第十章 電磁感應 能力課2 電磁感應中的動力學和能量問題學案 1.兩種狀態(tài)及處理方法 狀態(tài) 特征 處理方法 平衡態(tài) 加速度為零 根據平衡條件列式分析 非平衡態(tài) 加速度不為零 根據牛頓第二定律進行動態(tài)分析或結合功能關系進行分析 2.電學對象與力學對象的轉換及關系 命題角度1 導體棒處于靜止狀態(tài) 【例1】 (2017·天津理綜,3)如圖1所示,兩根平行金屬導軌置于水平面內,導軌之間接有電阻R。金屬棒ab與兩導軌垂直并保持良好接觸,整個裝置放在勻強磁場中,磁場方向垂直于導軌平面向下。現使磁感應強度隨時間均勻減小,ab始終保持靜止,下列說法正

2、確的是(  ) 圖1 A.ab中的感應電流方向由b到a B.ab中的感應電流逐漸減小 C.ab所受的安培力保持不變 D.ab所受的靜摩擦力逐漸減小 解析 導體棒ab、電阻R、導軌構成閉合回路,磁感應強度均勻減小(=k為一定值),則閉合回路中的磁通量減小,根據楞次定律,可知回路中產生順時針方向的感應電流,ab中的電流方向由a到b,故選項A錯誤;根據法拉第電磁感應定律,感應電動勢E===kS,回路面積S不變,即感應電動勢為定值,根據閉合電路歐姆定律I=,所以ab中的電流大小不變,故選項B錯誤;安培力F=BIL,電流大小不變,磁感應強度減小,則安培力減小,故選項C錯誤;導體棒處于靜止

3、狀態(tài),所受合力為零,對其受力分析,水平方向靜摩擦力f與安培力F等大反向,安培力減小,則靜摩擦力減小,故選項D正確。 答案 D 命題角度2 導體棒做勻速運動 【例2】 (多選)一空間有垂直紙面向里的勻強磁場B,兩條電阻不計的平行光滑導軌豎直放置在磁場內,如圖2所示,磁感應強度B=0.5 T,導體棒ab、cd長度均為0.2 m,電阻均為0.1 Ω,重力均為0.1 N,現用力向上拉動導體棒ab,使之勻速上升(導體棒ab、cd與導軌接觸良好),此時cd靜止不動,則ab上升時,下列說法正確的是(  ) 圖2 A.ab受到的拉力大小為2 N B.ab向上運動的速度為2 m/s C.在2

4、s內,拉力做功,有0.4 J的機械能轉化為電能 D.在2 s內,拉力做功為0.6 J 解析 對導體棒cd分析:mg=BIl=,得v=2 m/s,故選項B正確;對導體棒ab分析:F=mg+BIl=0.2 N,選項A錯誤;在2 s內拉力做功轉化為ab棒的重力勢能和電路中的電能,電能等于克服安培力做的功,即W電=F安vt==0.4 J,選項C正確;在2 s內拉力做的功為W拉=Fvt=0.8 J,選項D錯誤。 答案 BC 命題角度3 變加速直線運動問題 【例3】 如圖3,在光滑水平桌面上有一邊長為L、電阻為R的正方形導線框;在導線框右側有一寬度為d(d>L)的條形勻強磁場區(qū)域,磁場的邊界與導

5、線框的一邊平行,磁場方向豎直向下。導線框以某一初速度向右運動。t=0時導線框的右邊恰與磁場的左邊界重合,隨后導線框進入并通過磁場區(qū)域。下列v-t圖象中,可能正確描述上述過程的是(  ) 圖3 解析 導線框開始進入磁場過程,通過導線框的磁通量增大,有感應電流,進而受到與運動方向相反的安培力作用,速度減小,感應電動勢減小,感應電流減小,安培力減小,導線框的加速度減小,v-t圖線的斜率減?。粚Ь€框全部進入磁場后,磁通量不變,無感應電流,導線框做勻速直線運動;導線框從磁場中出來的過程,有感應電流,又會受到安培力阻礙作用,速度減小,加速度減小。選項D正確。 答案 D 用“四步法”分析

6、電磁感應中的動力學問題 解決電磁感應中的動力學問題的一般思路是“先電后力”,具體思路如下:        【變式訓練1】 足夠長的平行金屬導軌MN和PQ表面粗糙,與水平面間的夾角為θ=37°(sin 37°=0.6),間距為1 m。垂直于導軌平面向上的勻強磁場的磁感應強度的大小為4 T,P、M間所接電阻的阻值為8 Ω。質量為2 kg的金屬桿ab垂直導軌放置,不計桿與導軌的電阻,桿與導軌間的動摩擦因數為0.25。金屬桿ab在沿導軌向下且與桿垂直的恒力F作用下,由靜止開始運動,桿的最終速度為8 m/s,取g=10 m/s2,求: 圖4 (1)當金屬桿的速度為4 m/s時,金屬桿的加速

7、度大??; (2)當金屬桿沿導軌的位移為6.0 m時,通過金屬桿的電荷量。 解析 (1)對金屬桿ab應用牛頓第二定律,有 F+mgsin θ-F安-f=ma,f=μFN,FN=mgcos θ ab桿所受安培力大小為F安=BIL ab桿切割磁感線產生的感應電動勢為E=BLv 由閉合電路歐姆定律可知I= 整理得:F+mgsin θ-v-μmgcos θ=ma 代入vm=8 m/s時a=0,解得F=8 N 代入v=4 m/s及F=8 N,解得a=4 m/s2 (2)設通過回路橫截面的電荷量為q,則q=t 回路中的平均電流強度為= 回路中產生的平均感應電動勢為= 回路中的磁通量

8、變化量為ΔΦ=BLx,聯立解得q=3 C 答案 (1)4 m/s2 (2)3 C  [熱考點]電磁感應中的能量問題 1.電磁感應中的能量轉化 2.求解焦耳熱Q的三種方法 命題角度1 電磁感應現象與能量守恒定律的綜合 【例4】 如圖5所示,兩根足夠長的平行金屬導軌固定在傾角θ=30°的斜面上,導軌電阻不計,間距L=0.4 m,導軌所在空間被分成區(qū)域Ⅰ和Ⅱ,兩區(qū)域的邊界與斜面的交線為MN。Ⅰ中的勻強磁場方向垂直斜面向下,Ⅱ中的勻強磁場方向垂直斜面向上,兩磁場的磁感應強度大小均為B=0.5 T。在區(qū)域Ⅰ中,將質量m1=0.1 kg、電阻R1=0.1 Ω的金屬條ab放在導軌上,ab

9、剛好不下滑。然后,在區(qū)域Ⅱ中將質量m2=0.4 kg,電阻R2=0.1 Ω的光滑導體棒cd置于導軌上,由靜止開始下滑。cd在滑動過程中始終處于區(qū)域Ⅱ的磁場中,ab、cd始終與導軌垂直且兩端與導軌保持良好接觸,取g=10 m/s2,問: 圖5 (1)cd下滑的過程中,ab中的電流方向; (2)ab剛要向上滑動時,cd的速度v多大? (3)從cd開始下滑到ab剛要向上滑動的過程中,cd滑動的距離x=3.8 m,此過程中ab上產生的熱量Q是多少? 解析 (1)由右手定則可判斷出cd中的電流方向為由d到c,則ab中電流方向為由a流向b。 (2)開始放置時ab剛好不下滑,ab所受摩擦力為

10、最大靜摩擦力,設其為Fmax,有Fmax=m1gsin θ① 設ab剛要上滑時,cd棒的感應電動勢為E,由法拉第電磁感應定律有E=BLv② 設電路中的感應電流為I,由閉合電路歐姆定律有 I=③ 設ab所受安培力為F安,有F安=BIL④ 此時ab受到的最大靜摩擦力方向沿斜面向下, 由平衡條件有F安=m1gsin θ+Fmax⑤ 綜合①②③④⑤式,代入數據解得v=5 m/s (3)設cd棒運動過程中在電路中產生的總熱量為Q總,由能量守恒定律有m2gxsin θ=Q總+m2v2 又Q=Q總 解得Q=1.3 J 答案 (1)由a流向b (2)5 m/s (3)1.3 J 解

11、電磁感應現象中的能量問題的一般步驟 (1)在電磁感應中,切割磁感線的導體或磁通量發(fā)生變化的回路將產生感應電動勢,該導體或回路就相當于電源。 (2)分析清楚有哪些力做功,就可以知道有哪些形式的能量發(fā)生了相互轉化。 (3)根據能量守恒列方程求解?!     ? 命題角度2 電磁感應現象與動量守恒定律的綜合 【例5】 如圖6所示,兩根間距為l的光滑金屬導軌(不計電阻),由一段圓弧部分與一段無限長的水平段部分組成,其水平段加有豎直向下方向的勻強磁場,磁感應強度為B,導軌水平段上靜止放置一金屬棒cd,質量為2m,電阻為2r。另一質量為m,電阻為r的金屬棒ab,從圓弧段M處由靜止釋放下滑至N處進入

12、水平段,棒與導軌始終垂直且接觸良好,圓弧段MN半徑為R,所對圓心角為60°。求: 圖6 (1)ab棒在N處進入磁場區(qū)速度是多大?此時棒中電流是多少? (2)cd棒能達到的最大速度是多大? (3)cd棒由靜止到達最大速度過程中,系統(tǒng)所能釋放的熱量是多少? 解析 (1)ab棒由M下滑到N過程中機械能守恒,故 mgR(1-cos 60°)=mv2 解得v=。 進入磁場區(qū)瞬間,回路中電流強度 I==。 (2)ab棒在安培力作用下做減速運動,cd棒在安培力作用下做加速運動,當兩棒速度達到相同速度v′時,電路中電流為零,安培力為零,cd達到最大速度。運用動量守恒定律得mv=(2m+

13、m)v′ 解得v′=。 (3)系統(tǒng)釋放的熱量應等于系統(tǒng)機械能的減少量, 故Q=mv2-·3mv′2, 解得Q=mgR。 答案 (1)  (2) (3)mgR 【變式訓練2】 (2018·河北五名校聯盟二模)如圖7所示,MN、PQ兩平行光滑水平導軌分別與半徑r=0.5 m 的相同豎直半圓導軌在N、Q端平滑連接,M、P端連接定值電阻R,質量M=2 kg的cd絕緣桿垂直且靜止在水平導軌上,在其右側至N、Q端的區(qū)域內充滿豎直向上的勻強磁場?,F有質量m=1 kg的ab金屬桿以初速度v0=12 m/s水平向右運動,與cd絕緣桿發(fā)生正碰后,進入磁場并最終未滑出,cd絕緣桿則恰好能通過半圓導軌最高

14、點,不計除R以外的其他電阻和摩擦,ab金屬桿始終與導軌垂直且接觸良好,g取10 m/s2,(不考慮cd桿通過半圓導軌最高點以后的運動)求: 圖7 (1)cd絕緣桿通過半圓導軌最高點時的速度大小v; (2)電阻R產生的焦耳熱Q。 解析 (1)cd絕緣桿通過半圓導軌最高點時, 由牛頓第二定律有Mg=M 解得v= m/s。 (2)發(fā)生正碰后cd絕緣桿滑至最高點的過程中,由動能定理有 -Mg·2r=Mv2-Mv, 解得碰撞后cd絕緣桿的速度v2=5 m/s, 兩桿碰撞過程中動量守恒,有 mv0=mv1+Mv2, 解得碰撞后ab金屬桿的速度v1=2 m/s, ab金屬桿進入

15、磁場后由能量守恒定律有mv=Q, 解得Q=2 J。 答案 (1) m/s (2)2 J “桿+導軌”模型 [題源:人教版選修3-2·P21·T3]                     設圖4.5-5中的磁感應強度B=1 T,平行導軌寬l=1 m,金屬棒PQ以1 m/s速度貼著導軌向右運動,R=1 Ω,其他電阻不計。 圖4.5-5 導體PQ向右運動 (1)運動的導線會產生感應電動勢,相當于電源。用電池等符號畫出這個裝置的等效電路圖。 (2)通過R的電流方向如何?大小等于多少? 拓展1 (2018·湖南省五市十校高三聯考)如圖8所示,兩平行的光滑導軌固定在同一水平面

16、內,兩導軌間距離為L,金屬棒ab垂直于導軌,金屬棒兩端與導軌接觸良好,在導軌左端接入阻值為R的定值電阻,整個裝置處于豎直向下的磁感應強度為B的勻強磁場中。與R相連的導線、導軌和金屬棒的電阻均可忽略不計。用平行于導軌向右的大小為F的力拉金屬棒,使金屬棒以大小為v的速度向右勻速運動,下列說法正確的是(  ) 圖8 A.金屬棒ab相當于電源,其a端相當于電源負極 B.拉力F= C.回路中的感應電流沿順時針方向流動 D.定值電阻消耗的電功率P=Fv 解析 用平行于導軌向右的恒力拉金屬棒,使金屬棒向右勻速運動,ab棒相當于電源,由右手定則知,電流方向由b―→a,在電源內部電流由低電勢流向

17、高電勢,所以a端相當于電源的正極,回路中的感應電流沿逆時針方向,選項A、C錯誤;由于金屬棒勻速運動,所以F=F安,根據法拉第電磁感應定律知F安=BIL=,而定值電阻消耗的功率為安培力的功率,也等于拉力的功率,選項B、D正確。 答案 BD 拓展2 (2016·全國卷Ⅱ,24)如圖9,水平面(紙面)內間距為l的平行金屬導軌間接一電阻,質量為m、長度為l的金屬桿置于導軌上,t=0時,金屬桿在水平向右、大小為F的恒定拉力作用下由靜止開始運動,t0時刻,金屬桿進入磁感應強度大小為B、方向垂直于紙面向里的勻強磁場區(qū)域,且在磁場中恰好能保持勻速運動。桿與導軌的電阻均忽略不計,兩者始終保持垂直且接觸良好,

18、兩者之間的動摩擦因數為μ。重力加速度大小為g。求 圖9 (1)金屬桿在磁場中運動時產生的電動勢的大??; (2)電阻的阻值。 解析 (1)設金屬桿進入磁場前的加速度大小為a,由牛頓第二定律得 F-μmg=ma① 設金屬桿到達磁場左邊界時的速度為v,由運動學公式有 v=at0② 當金屬桿以速度v在磁場中運動時,由法拉第電磁感應定律知產生的電動勢為 E=Blv③ 聯立①②③式可得 E=Blt0(-μg)④ (2)設金屬桿在磁場區(qū)域中勻速運動時,金屬桿中的電流為I,根據歐姆定律 I=⑤ 式中R為電阻的阻值。金屬桿所受的安培力為 F安=BlI⑥ 因金屬桿做勻速運動,有

19、 F-μmg-F安=0⑦ 聯立④⑤⑥⑦式得 R=⑧ 答案 (1)Blt0(-μg) (2) 拓展3 (2017·江蘇單科,13)如圖10所示,兩條相距d的平行金屬導軌位于同一水平面內,其右端接一阻值為R的電阻。質量為m的金屬桿靜置在導軌上,其左側的矩形勻強磁場區(qū)域MNPQ的磁感應強度大小為B、方向豎直向下。當該磁場區(qū)域以速度v0勻速地向右掃過金屬桿后,金屬桿的速度變?yōu)関。導軌和金屬桿的電阻不計,導軌光滑且足夠長,桿在運動過程中始終與導軌垂直且兩端與導軌保持良好接觸。求: 圖10 (1)MN剛掃過金屬桿時,桿中感應電流的大小I; (2)MN剛掃過金屬桿時,桿的加速度大小a;

20、 (3)PQ剛要離開金屬桿時,感應電流的功率P。 解析 (1)感應電動勢E=Bdv0 感應電流I=,解得I= (2)安培力F=BId 牛頓第二定律F=ma,解得a= (3)金屬桿切割磁感線的速度v′=v0-v,則 感應電動勢E′=Bd(v0-v) 電功率P=,解得P= 答案 (1) (2) (3) 活頁作業(yè) (時間:40分鐘) ?題組一 電磁感應中的動力學問題 1.(多選)如圖1所示,足夠長的光滑導軌傾斜放置,導軌寬度為L,其下端與電阻R連接。導體棒ab電阻為r,導軌和導線電阻不計,勻強磁場豎直向上。若導體棒ab以一定初速度v下滑,則關于ab棒的下列說法正確的是(  )

21、 圖1 A.所受安培力方向水平向右 B.可能以速度v勻速下滑 C.剛下滑的瞬間ab棒產生的感應電動勢為BLv D.減少的重力勢能等于電阻R上產生的內能 解析 導體棒ab以一定初速度v下滑,切割磁感線產生感應電動勢和感應電流,由右手定則可判斷出電流方向為從b到a,由左手定則可判斷出ab棒所受安培力方向水平向右,選項A正確;當mgsin θ=BILcos θ時,ab棒沿導軌方向合外力為零,則以速度v勻速下滑,選項B正確;由于速度方向與磁場方向夾角為(90°+θ),剛下滑的瞬間ab棒產生的感應電動勢為E=BLvcos θ,選項C錯誤;由能量守恒定律知,ab棒減少的重力勢能不一定等于電

22、阻R上產生的內能,選項D錯誤。 答案 AB 2.如圖2所示,在水平面內固定著U形光滑金屬導軌,軌道間距為50 cm,金屬導體棒ab質量為0.1 kg,電阻為0.2 Ω,橫放在導軌上,電阻R的阻值是0.8 Ω(導軌其余部分電阻不計)。現加上豎直向下的磁感應強度為0.2 T的勻強磁場。用水平向右的恒力F=0.1 N拉動ab,使其從靜止開始運動,則(  ) 圖2 A.導體棒ab開始運動后,電阻R中的電流方向是從P流向M B.導體棒ab運動的最大速度為10 m/s C.導體棒ab開始運動后,a、b兩點的電勢差逐漸增加到1 V 后保持不變 D.導體棒ab開始運動后任一時刻,F的功率總等

23、于導體棒ab和電阻R的發(fā)熱功率之和 解析 由右手定則可判斷電阻R中的感應電流方向是從M流向P,選項A錯誤;當金屬導體棒受力平衡時,其速度將達到最大值,由F=BIL,I==可得F=,代入數據解得vm=10 m/s,選項B正確;感應電動勢的最大值Em= 1 V,a、b兩點的電勢差為路端電壓,最大值小于1 V,選項C錯誤;在達到最大速度以前,F所做的功一部分轉化為內能,另一部分轉化為導體棒的動能,選項D錯誤。 答案 B 3.(多選)如圖3兩根足夠長光滑平行金屬導軌PP′、QQ′傾斜放置,勻強磁場垂直于導軌平面向上,導軌的上端與水平放置的兩金屬板M、N相連,板間距離足夠大,板間有一帶電微粒,金

24、屬棒ab水平跨放在導軌上,下滑過程中與導軌接觸良好?,F在同時由靜止釋放帶電微粒和金屬棒ab,則(  ) 圖3 A.金屬棒ab一直加速下滑 B.金屬棒ab最終可能勻速下滑 C.金屬棒ab下滑過程中M板電勢高于N板電勢 D.帶電微粒可能先向N板運動后向M板運動 解析 根據牛頓第二定律有mgsin θ-BIl=ma,而I=,Δq=CΔU,ΔU=BlΔv,Δv=aΔt,聯立解得a=,因而金屬棒將做勻加速運動,選項A正確,B錯誤;ab棒切割磁感線,相當于電源,a端相當于電源正極,因而M板帶正電,N板帶負電,選項C正確;若帶電粒子帶負電,在重力和電場力的作用下,先向下運動然后再反向向上運動

25、,選項D正確。 答案 ACD 4.(多選)如圖4所示,平行且足夠長的兩條光滑金屬導軌,相距L=0.4 m,導軌所在平面與水平面的夾角為30°,其電阻不計。把完全相同的兩金屬棒(長度均為0.4 m)ab、cd分別垂直于導軌放置,并使每棒兩端都與導軌良好接觸。已知兩金屬棒的質量均為m=0.1 kg、電阻均為R=0.2 Ω,整個裝置處在垂直于導軌平面向上的勻強磁場中,磁感應強度為B=0.5 T,當金屬棒ab在平行于導軌向上的力F作用下沿導軌向上勻速運動時,金屬棒cd恰好能保持靜止。(g=10 m/s2),則(  ) 圖4 A.F的大小為0.5 N B.金屬棒ab產生的感應電動勢為1.0

26、 V C.ab棒兩端的電壓為1.0 V D.ab棒的速度為5.0 m/s 解析 對于cd棒有mgsin θ=BIL,解得回路中的電流I=2.5 A,所以回路中的感應電動勢E=2IR=1.0 V,選項B正確;Uab=IR=0.5 V,選項C錯誤;對于ab棒有F=BIL+mgsin θ,解得F=1.0 N,選項A錯誤;根據法拉第電磁感應定律有E=BLv,解得v=5.0 m/s,選項D正確。 答案 BD 5.如圖5甲,在水平桌面上固定著兩根相距L=20 cm、相互平行的無電阻軌道P、Q,軌道一端固定一根電阻R=0.02 Ω 的導體棒a,軌道上橫置一根質量m=40 g、電阻可忽略不計的金屬棒

27、b,兩棒相距也為L=20 cm。該軌道平面處在磁感應強度大小可以調節(jié)的豎直向上的勻強磁場中。開始時,磁感應強度B0=0.1 T。設棒與軌道間的最大靜摩擦力等于滑動摩擦力,g取10 m/s2。 圖5 (1)若保持磁感應強度B0的大小不變,從t=0時刻開始,給b棒施加一個水平向右的拉力,使它由靜止開始做勻加速直線運動。此拉力F的大小隨時間t變化關系如圖乙所示。求b棒做勻加速運動的加速度及b棒與軌道間的滑動摩擦力; (2)若從t=0開始,磁感應強度B隨時間t按圖丙中圖象所示的規(guī)律變化,求在金屬棒b開始運動前,這個裝置釋放的熱量。 解析 (1)F安=B0IL① E=B0Lv② I==③

28、 v=at④ 所以F安=t 當b棒勻加速運動時,根據牛頓第二定律有 F-Ff-F安=ma⑤ 聯立可得F-Ff-t=ma⑥ 由圖象可得: 當t=0時,F=0.4 N, 當t=1 s時,F=0.5 N。 代入⑥式,可解得a=5 m/s2,Ff=0.2 N。 (2)當磁感應強度均勻增大時,閉合電路中有恒定的感應電流I。以b棒為研究對象,它受到的安培力逐漸增大,靜摩擦力也隨之增大,當磁感應強度增大到b所受安培力F安′與最大靜摩擦力Ff相等時開始滑動 感應電動勢E′=L2=0.02 V⑦ I′==1 A⑧ 棒b將要運動時,有F安′=BtI′L=Ff⑨ 所以Bt=1 T,根據B

29、t=B0+t⑩ 得t=1.8 s,回路中產生的焦耳熱為Q=I′2Rt=0.036 J。 答案 (1)5 m/s2 0.2 N (2)0.036 J ?題組二 電磁感應中的能量問題 6.(2017·江西省名校聯盟教學質量檢測)如圖6所示,水平面上固定著兩根相距L且電阻不計的足夠長的光滑金屬導軌,導軌處于方向豎直向下、磁感應強度為B的勻強磁場中,銅棒a、b的長度均等于兩導軌的間距、電阻均為R、質量均為m,銅棒平行地靜止在導軌上且與導軌接觸良好。現給銅棒a一個平行導軌向右的瞬時沖量I,關于此后的過程,下列說法正確的是(  ) 圖6 A.回路中的最大電流為 B.銅棒b的最大加速度為

30、 C.銅棒b獲得的最大速度為 D.回路中產生的總焦耳熱為 解析 給銅棒a一個平行導軌的瞬時沖量I,此時銅棒a的速度最大,產生的感應電動勢最大,回路中電流最大,每個棒受到的安培力最大,其加速度最大,I=mv0,v0=,銅棒a電動勢E=BLv0,回路電流I0==,選項A錯誤;此時銅棒b受到安培力F=BI0L,其加速度a==,選項B正確;此后銅棒a做變減速運動,銅棒b做變加速運動,當二者達到共同速度時,銅棒b速度最大,據動量守恒,mv0=2mv,銅棒b最大速度v=,選項C錯誤;回路中產生的焦耳熱Q=mv-·2mv2=,選項D錯誤。 答案 B 7.(2017·寧夏銀川模擬)如圖7所示,相距為d

31、的兩條水平虛線之間有方向垂直紙面向里的勻強磁場,磁感應強度大小為B,正方形線圈abec邊長為L(L

32、mgd,即從ce邊剛進入磁場到ab邊剛進入磁場過程產生的焦耳熱為mgd,從ce邊剛穿出磁場到ab邊離開磁場的過程,線圈產生的熱量與從ce邊剛進入磁場到ab邊剛進入磁場的過程中產生的熱量相等,故從線圈的ce邊進入磁場到ab邊離開磁場的過程,產生的熱量為2Q=2mgd,選項A、B錯誤;若線圈進入磁場的整個過程做減速運動,線圈全部進入磁場后做勻加速運動,則可知線圈剛全部進入磁場時的瞬時速度最小,設線圈的最小速度為vmin,線圈從開始下落到線圈剛完全進入磁場的過程,根據能量守恒定律得mg(h+L)=Q+mv,代入數據解得線圈的最小速度為vmin=,選項C錯誤;線圈在進入磁場的過程中,先做減速運動,可能

33、在完全進入磁場前已經做勻速運動,則有mg=BIL=,解得vmin′=,選項D正確。 答案 D 8.(2017·吉林省長春市七校第二次聯考)如圖8所示,兩根水平放置的平行金屬導軌,其末端連接等寬的四分之一圓弧導軌,圓弧半徑r=0.41 m。導軌的間距為L=0.5 m,導軌的電阻與摩擦均不計。在導軌的頂端接有阻值為R1=1.5 Ω的電阻,整個裝置處在豎直向上的勻強磁場中,磁感應強度B=2.0 T?,F有一根長度稍大于L、電阻R2=0.5 Ω、質量m=1.0 kg的金屬棒。金屬棒在水平拉力F作用下,從圖中位置ef由靜止開始勻加速運動,在t=0 時刻,F0=1.5 N,經2.0 s運動到cd時撤去拉

34、力,棒剛好能沖到最高點ab,重力加速度g=10 m/s2。求: 圖8 (1)金屬棒做勻加速直線運動的加速度; (2)金屬棒運動到cd時電壓表的讀數; (3)金屬棒從cd運動到ab過程中電阻R1上產生的焦耳熱。 解析 (1)剛開始拉金屬棒時,由牛頓第二定律得F0=ma 代入數據得a=1.5 m/s2 (2)t=2.0 s時,金屬棒的速度v=at=3 m/s 此時的感應電動勢E=BLv 電壓表示數U=R1,代入數據得U=2.25 V (3)金屬棒從cd位置運動到ab位置,由動能定理得 -mgr-W克安=0-mv2 回路中產生的總焦耳熱Q=W克安 電阻R1上產生的焦耳熱

35、Q1=R1 代入數據得Q1=0.3 J 答案 (1)1.5 m/s2 (2)2.25 V (3)0.3 J 9.如圖9所示,質量為100 g的鋁框,用細線懸掛起來,框中央離地面h為0.8 m,有一質量為200 g的磁鐵以10 m/s的水平速度射入并穿過鋁框,落在距鋁框原位置水平距離3.6 m處,則在磁鐵與鋁框發(fā)生相互作用時,求: 圖9 (1)鋁框向哪邊偏斜,它能上升多高; (2)在磁鐵穿過鋁框的整個過程中,框中產生了多少熱量。 解析 (1)磁鐵在穿過鋁框的過程中,使鋁框中磁通量發(fā)生變化,產生感應電流,磁鐵與鋁框一直發(fā)生相互作用,水平方向動量守恒。磁鐵穿過鋁框后做平拋運動,根據

36、平拋運動規(guī)律,得 t==s=0.4 s s=v1′t,則v1′== m/s=9 m/s 根據動量守恒定律,有m1v1=m1v1′+m2v2′ v2′===2 m/s 鋁框作用后獲得的速度向右,則將向右偏斜。根據機械能守恒,有m2gh′=m2v2′2 故h′===0.2 m。 (2)根據能的轉化與守恒定律,磁鐵的動能一部分轉化為電能,另一部分轉化為鋁框的動能,其中電能又轉化為焦耳熱Q,即 m1v=m1v1′2+m2v2′2+W電 解得W電=m1v-m1v1′2-m2v1′2 =×0.2×102-×0.2×92-×0.1×22=1.7 J。 即Q=1.7 J。 答案 (1)向右偏斜 0.2 m (2)1.7 J

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