（浙江选考）2018版高考物理二轮复习 专题七 计算题题型强化 第4讲 加试计算题23题 电磁感应规律的综合应用学案

第4讲加试计算题23题电磁感应规律的综合应用题型1电磁感应中的动力学问题1(2017浙江“七彩阳光”联考)半径为2r的圆形金属导轨固定在一水平面内，一根长也为2r、电阻为R的金属棒OA一端与金属导轨接触良好，另一端固定在中心转轴上，现有方向(俯视)如图1所示、大小为B1的匀强磁场，中间半径为r的地方无磁场另有一水平金属导轨MN用导线连接金属圆环，MN用导线连接中心轴，导轨上放置一根金属棒CD，其长度L与水平金属导轨宽度相等，金属棒CD的电阻2R，质量为m，与水平导轨之间的动摩擦因数为，水平导轨处在竖直向上的匀强磁场B2中，金属棒CD通过细绳、定滑轮与质量也为m的重物相连，重物放置在水平地面上所有接触都良好，金属棒CD受到的最大静摩擦力等于滑动摩擦力，忽略其他摩擦和其他电阻，重力加速度为g.则：图1(1)若金属棒OA以角速度0顺时针转动(俯视)，求：感应电动势及接在水平导轨上的理想电压表的电压；(2)若金属棒OA顺时针转动(俯视)的角速度随时间变化的关系为kt，求：重物离开地面之前支持力随时间变化的表达式答案见解析解析 (1)感应电动势EB1rB10r2 感应电流I电压表示数UVI2RB10r2(2)电流I金属棒CD受到的安培力F安B2IL重物离开地面之前受力平衡FNFTmg当F安mg时即t，FT0所以FNmg当 F安mg时即t，FTF安mg所以FNmgmg.2(2017金华市高二上期末)如图2甲所示，在粗糙的水平面上有一滑板，滑板上固定着一个用粗细均匀的导线绕成的正方形闭合线圈，匝数N10，边长L0.4 m，总电阻R1 ，滑板和线圈的总质量M2 kg，滑板与地面间的动摩擦因数0.5，前方有一长4L、高L的矩形区域，其下边界与线圈中心等高，区域内有垂直线圈平面的水平匀强磁场，磁感应强度大小按如图乙所示的规律变化现给线圈施加一水平拉力F，使线圈以速度v0.4 m/s匀速通过矩形磁场t0时刻，线圈右侧恰好开始进入磁场，g10 m/s2，求：图2(1)t0.5 s时线圈中通过的电流；(2)线圈左侧进入磁场区域前的瞬间拉力F的大小；(3)线圈通过图中矩形区域的整个过程中拉力F的最大值与最小值之比答案(1)0.4 A(2)10.8 N(3)5449解析(1)线圈切割磁感线E1NBv0.4 VI10.4 A.(2)线圈因匀速运动将要全部进入前，右边导线所受向左的总安培力F1NBI10.4 N上边导线所受向下的总安培力F2NBI1L0.8 N滑动摩擦力Ff(MgF2)10.4 N故拉力：FF1Ff10.8 N.(3)线圈左侧进入磁场区域后的瞬间拉力有最小值Fmin，t1 s时刻，在磁场运动E20.2 V线圈中形成顺时针方向的电流I20.2 A线圈上边受到向上的最大安培力F3NBI2L0.4 N此时拉力Fmin(MgF3)9.8 N所以最大值与最小值之比为5449.1.电磁感应中动力学问题的基本特点导体棒运动产生感应电动势感应电流通电导体棒受安培力合外力变化加速度变化速度变化周而复始地循环，最终导体棒的加速度等于零，导体棒达到稳定运动状态，要抓住a0时速度v达到最大的特点2用牛顿运动定律处理电磁感应问题的基本思路题型2动力学和能量观点的综合应用1(2017杭州市高三上期末)某同学在学习电磁感应后，认为电磁阻尼能够承担电梯减速时大部分制动的负荷， 从而减小传统制动器的磨损如图3甲所示，是该同学设计的电磁阻尼制动器的原理图电梯箱与配重质量都为 M，通过高强度绳子套在半径r1的承重转盘上，且绳子与转盘之间不打滑承重转盘通过固定转轴与制动转盘相连制动转盘上固定了半径为r2和r3 的内外两个金属圈(如图乙)，金属圈内阻不计两金属圈之间用三根互成 120的辐向导体棒连接，每根导体棒电阻均为R. 制动转盘放置在一对励磁线圈之间，励磁线圈产生垂直于制动转盘的匀强磁场(磁感应强度为B)，磁场区域限制在120辐向角内，如图乙阴影区所示. 若电梯箱内放置质量为m的货物一起以速度v竖直上升，电梯箱离终点(图中未画出)高度为h时关闭动力系统，仅开启电磁制动，一段时间后，电梯箱恰好到达终点图3(1) 若在开启电磁制动瞬间，三根金属棒的位置刚好在图乙所示位置，则此时制动转盘上的电动势 E为多少？ 此时a与 b之间的电势差有多大？(2)若忽略转盘的质量，且不计其他阻力影响，则在上述制动过程中，制动转盘产生的热量是多少？(3)若要提高制动的效果，试对上述设计做出两处改进答案见解析解析(1)var3vbr2E联立解得：EIUabI0.5R联立解得：Uab(2)Qmgh(m2M)v2解得：Q(m2M)v2mgh(3)增加励磁电流：减小金属棒的电阻；增加金属棒的数目(用实心的金属材料做整个金属盘)增加外金属圈的半径r3；减小内金属圈的半径r2；减小承重转盘的半径r1.(任选两项即可)2(2017浙江名校新高考联盟联考)平行直导轨由水平部分和倾斜部分组成，导轨间距L0.5 m，PQ是分界线，倾斜部分倾角为30，PQ 右侧有垂直于斜面向下的匀强磁场B21 T，PQ 左侧存在着垂直于水平面但方向未知、大小也为1 T的匀强磁场B1，如图4所示质量m0.1 kg、电阻 R0.1 的两根金属细杆ab和cd垂直放于该导轨上，其中ab杆光滑，cd杆与导轨间的动摩擦因数为，导轨底端接有R0.1 的电阻开始时ab、cd均静止于导轨上现对ab杆施加一水平向左的恒定外力F，使其向左运动，当ab杆向左运动的位移为x时开始做匀速直线运动，此时cd刚要开始沿斜面向上运动(仍保持静止)，再经t0.4 s撤去外力F，最后ab杆静止在水平导轨上整个过程中电阻R的发热量为Q1.0 J设最大静摩擦力等于滑动摩擦力(g10 m/s2)图4(1)判断B1磁场的方向；(2)刚撤去外力F时ab杆的速度v的大小；(3)求ab杆的最大加速度a和加速过程中的位移x的大小答案见解析解析(1)由左手定则可判断cd杆中电流从d流向c，即ab杆中电流从a流向b，由右手定则可判断，B1的方向为竖直向下(2)当cd即将开始向上运动时，cd杆受力平衡， 可得：B2IcdLmgsin mgcos 得：Icd2.5 AIab2Icd由闭合电路欧姆定律和法拉第电磁感应定律可得：B1LvIab(R)v1.5 m/s(3)当速度达到最大时ab杆受力平衡，即FB1IabL解得F2.5 N而ab杆刚开始运动时水平方向只受拉力作用，此时加速度最大Fma，a25 m/s2对ab杆进行受力分析，ab杆从开始到最后，其初、末速度都为0，由动能定理可得FxW安00|W安|6Q解得x2.4 mxxvt1.8 m.1.电磁感应现象遵守能量守恒定律，电磁感应现象中产生的电能，一定是由其他形式的能转化而来的，从电磁感应现象产生的机理来区分，分为两种情况：(1)单纯的磁场变化：磁能电能电路中的内能(或其他形式的能)；(2)导体切割磁感线：机械能电能电路中的内能(或其他形式的能)2导体切割磁感线而产生的电能，必定等于导体克服安培力做的功，即产生的电能是用克服安培力做的功来量度的3从能量转化的角度分析电磁感应过程，必须牢牢抓住能量守恒这一基本规律分析的基本思路是：受力分析弄清哪些力做功，做正功还是负功明确有哪些形式的能参与转化，哪些增哪些减由能量守恒定律列方程求解专题强化练(限时：35分钟)1如图1所示，光滑平行的水平金属导轨MNPQ相距l，在M点和P点间接一个阻值为R的电阻，在两导轨间OO1O1O矩形区域内有垂直导轨平面竖直向下、宽为d的匀强磁场，磁感应强度为B.一质量为m，电阻为r的导体棒ab，垂直搁在导轨上，与磁场左边界相距d0.现用一大小为F、水平向右的恒力拉ab棒，使它由静止开始运动，棒ab在离开磁场前已经做匀速直线运动(棒ab与导轨始终保持良好的接触，导轨电阻不计)求：图1(1)棒ab在离开磁场右边界时的速度大小；(2)棒ab通过磁场区的过程中整个回路所消耗的电能答案(1)(2)F(d0d)解析(1)棒在磁场中匀速运动时，有FFABIl，再据I联立解得v(2)安培力做的功转化成两个电阻消耗的总电能Q，根据能量守恒定律可得F(d0d)Qmv2，解得QF(d0d).2如图2，ab和cd是两条竖直放置且足够长的长直光滑金属导轨，MN和MN是两根用细线连接的金属杆，其质量分别为m和2m.竖直向上的外力F作用在杆MN上，使两杆水平静止，并刚好与导轨接触；两杆的总电阻为R，导轨间距为l.整个装置处在磁感应强度为B的匀强磁场中，磁场方向与导轨所在平面垂直导轨电阻可忽略，重力加速度为g.在t0时刻将细线烧断，保持F不变，金属杆和导轨始终接触良好且垂直求：图2(1)细线烧断后，任意时刻两杆运动的速度之比；(2)两杆分别达到的最大速度答案(1)21(2)解析(1)设某时刻MN和MN速度分别为v1、v2由动量守恒mv12mv20，得.(2)当MN和MN的加速度为零时，速度最大对MN由平衡条件知BIl2mgIEBlv1Blv2得v1，v2.3如图3所示，两平行导轨间距L0.1 m，足够长光滑的倾斜部分和粗糙的水平部分平滑连接，倾斜部分与水平面的夹角30，垂直斜面方向向上的匀强磁场的磁感应强度B0.5 T，水平部分没有磁场金属棒ab的质量m0.005 kg，电阻r0.02 ，运动中与导轨有良好接触，并且始终垂直于导轨，电阻R0.08 ，其余电阻不计，当金属棒ab从斜面上离水平面高h1.0 m以上任何地方由静止释放后，在水平面上滑行的最大距离x都是1.25 m(取g10 m/s2)求：图3(1)金属棒ab与棒在斜面上的最大速度为多少？(2)金属棒ab与水平面间的动摩擦因数；(3)从高度h1.0 m处滑下后电阻R上产生的热量答案见解析解析(1)金属棒从离水平面高h1.0 m以上任何地方由静止释放后，在到达水平面之前都已经开始做匀速运动，设匀速时速度为v，则感应电动势EBLv感应电流I安培力FBIL，匀速运动时，有mgsin F解得v1.0 m/s.(2)在水平面上运动时，金属棒所受滑动摩擦力Ffmg金属棒在摩擦力作用下做匀减速运动，有Ffmav22ax，解得0.04.(3)下滑的过程中，由动能定理可得：mghW安mv2安培力所做的功等于电路中产生的焦耳热，有W安Q电阻R上产生的热量：QRQ解得QR3.8102 J.4如图4甲所示，足够长的平行金属导轨倾斜放置，倾角为37，宽度为0.5 m，电阻忽略不计，其上端接一小灯泡，电阻为1 .质量为0.5 kg的导体棒MN垂直于导轨放置，距离顶端2 m，接入电路的电阻为1 ，两端与导轨接触良好，导体棒与导轨间的动摩擦因数为0.5.在导轨间存在着垂直于导轨平面向上的匀强磁场，磁感应强度随时间变化的规律如图乙所示先固定导体棒MN,2 s后让MN由静止释放，运动一段时间后，小灯泡稳定发光重力加速度g取10 m/s2，sin 370.6，cos 370.8.求：图4(1)1.5 s时流过小灯泡的电流大小和方向；(2)棒下落后速度为4 m/s时的加速度大小；(3)小灯泡稳定发光时导体棒的速度大小及小灯泡消耗的电功率答案(1)0.25 A方向从左到右(2)1 m/s2(3)8 m/s4 W解析(1)由楞次定律可知，感应电流的方向为顺时针，即流过小灯泡的电流从左到右02 s回路中感应电动势大小E1S，代入数据可得E10.5 V1.5 s时流过小灯泡的电流大小I10.25 A.(2)棒下落后速度为4 m/s时感应电流I21 A.分析棒的受力有mgsin mgcos BLI2ma代入数据可得棒的加速度a1 m/s2.(3)小灯泡稳定发光时棒匀速运动，有mgsin mgcos 代入数据可得vm8 m/s棒上的感应电动势大小E3BLvm4 V小灯泡稳定时的功率PI2R()2R4 W.5能的转化与守恒是自然界普通存在的规律，如：电源给电容器的充电过程可以等效为将电荷逐个从原本电中性的两极板中的一个极板移到另一个极板的过程在移动过程中克服电场力做功，电源的电能转化为电容器的电场能实验表明：电容器两极间的电压与电容器所带电量如图5甲所示图5(1)对于直线运动，课本中讲解了由vt图象求位移的方法请你借鉴此方法，根据图甲的QU图象，推导电容器所储存的电场能E电的表达式(若电容器电容为C，两极板间电压为U)(2)如图乙所示，平行金属框架竖直放置在绝缘地面上，框架上端接有一电容为C的电容器框架上一质量为m、长为L的金属棒平行于地面放置，离地面的高度为h.磁感应强度为B的匀强磁场与框架平面相垂直现将金属棒由静止开始释放，金属棒下滑过程中与框架接触良好且无摩擦开始时电容器不带电，不计各处电阻，求：金属棒落地时的速度大小；金属棒从静止释放到落到地面的时间答案(1)E电(2) 解析(1)由功能关系可知克服电场力做功等于产生的电场能：根据速度时间图象围成的面积代表位移可知在QU图象中，图象所围面积即为，也就是克服电场力所做的功，即E电.又C，故E电(2)设金属棒落地的速度为v，此时金属棒切割磁感线产生感生电动势感生电动势大小为EBLv电容器储存的电场能为E电由动能定理得mghE电解得v 金属棒下落过程中受安培力和重力，由动量定理可得mgtF安tmvF安BILQItQCUUBLvvv0解得t .11