（通用版）2021版高考物理大一輪復習 課后限時集訓31 電磁感應中動力學、動量和能量問題

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1、課后限時集訓31 電磁感應中動力學、動量和能量問題 建議用時：45分鐘 1．如圖所示，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?，F(xiàn)使磁感應強度隨時間均勻減小，ab始終保持靜止，下列說法正確的是(　　) 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 D　[導體棒ab、電阻R、導軌構成閉合回路，磁感應強度均勻減小，則閉合回路中的磁通量均勻減小，根據(jù)楞次定律，可知回路中產生順時針方向的感應電流，ab中

2、的電流方向由a到b，故選項A錯誤；根據(jù)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(jù)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。] 2．如圖所示，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

3、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(　　) A　　　　B　　　　C　　　　D D　[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??；導線框全部進入磁場中，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。] 3．(多選)如圖所示，兩條電阻不計的平行光滑導軌豎直放置在垂直紙面向里的

4、勻強磁場內，已知磁感應強度B＝0.5 T，導體棒ab、cd的長度均為0.2 m，電阻均為0.1 Ω，重力均為0.1 N。現(xiàn)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。則在ab上升時，下列說法正確的是(　　) 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 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 BC　[對導體棒cd分析：mg＝BIl＝，代入數(shù)據(jù)解得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

5、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。] 4．(多選)如圖所示，相距為d的兩水平虛線L1和L2分別是水平向里的勻強磁場的上下兩個邊界，磁場的磁感應強度為B，正方形線框abcd邊長為L(L

6、＋h＋L) D．線框有一階段做減速運動 BD　[正方形線框abcd邊長為L(L

7、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(xiàn)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(　　) A．回路中的最大電流為 B．銅棒b的最大加速度為 C．銅棒b獲得的最大速度為 D．回路中產生的總焦耳熱為 B　[由題意知a獲得沖量I時速度最大，即va＝，此后a在安培力作用下做減速運動，b在安培力作用下做加速運動，回路中產生的電動勢E＝BL(va－vb)，可知a剛獲得沖量時回路中產生的感應電流最大，即Im＝＝，故A錯誤；開始時b所受安培力最大，即F

8、m＝BImL＝，則b棒的最大加速度am＝＝，故B正確；由題意知，a棒做減速運動，b棒做加速運動，當a、b速度相等時，兩棒同時向右做勻速直線運動，根據(jù)動量守恒定律可知，I＝2mvab，即vab＝，此速度亦為b棒的最大速度，故C錯誤；根據(jù)系統(tǒng)能量守恒，則有mv＝(m＋m)v＋Q，即Q＝，故D錯誤。] 6．(2019·懷化模擬)如圖甲所示，足夠長、電阻不計的光滑平行金屬導軌MN、PQ豎直放置，其寬度L＝1 m，一勻強磁場垂直穿過導軌平面，導軌的上端M與P之間連接阻值為R＝0.40 Ω的電阻，質量為m＝0.01 kg、電阻為r＝0.30 Ω的金屬棒ab緊貼在導軌上?，F(xiàn)使金屬棒ab由靜止開始下滑，下滑

9、過程中ab始終保持水平，且與導軌接觸良好，其下滑距離x與時間t的關系如圖乙所示，圖象中的OA段為曲線，AB段為直線，導軌電阻不計，g取10 m/s2(忽略ab棒運動過程中對原磁場的影響)，求： 甲　　　　　　乙 (1)判斷金屬棒兩端a、b的電勢高低； (2)磁感應強度B的大??； (3)在金屬棒ab從開始運動的1.5 s內，內阻R上產生的熱量。 [解析]　(1)由右手定則可知，ab中的感應電流由a流向b，ab相當于電源，則b點電勢高，a點電勢低。 (2)由x-t圖象求得t＝1.5 s時金屬棒的速度為：v＝＝ m/s＝7 m/s 金屬棒勻速運動時所受的安培力大小為F＝BIL，I＝

10、，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＝0.1 T。 (3)金屬棒ab在開始運動的1.5 s內，金屬棒的重力勢能減少量轉化為金屬棒的動能和電路的內能。設電路中產生的總焦耳熱為Q 根據(jù)能量守恒定律得：mgx＝mv2＋Q 代入數(shù)據(jù)解得：Q＝0.455 J 故R產生的熱量為QR＝Q＝0.26 J。 [答案]　(1)b點電勢高，a點電勢低　(2)0.1 T　(3)0.26 J 7.(多選)如圖所示，水平放置的光滑金屬長導軌MM′和NN′之間接有電阻R，導軌左、右兩區(qū)域分別存在方向相反且與導軌平面垂直的勻強磁場，設左、右區(qū)域磁場的磁感

11、應強度大小均為B，虛線為兩區(qū)域的分界線。一根阻值也為R的金屬棒ab放在導軌上并與其垂直，導軌電阻不計。若金屬棒ab在恒定外力F的作用下從左邊的磁場區(qū)域距離磁場邊界x處勻速運動到右邊的磁場區(qū)域距離磁場邊界x處。下列說法正確的是(　　) A．當金屬棒通過磁場邊界時，通過電阻R的電流反向 B．當金屬棒通過磁場邊界時，金屬棒受到的安培力反向 C．金屬棒在題設的運動過程中，通過電阻R的電荷量等于零 D．金屬棒在題設的運動過程中，回路中產生的熱量等于Fx AC　[金屬棒的運動方向不變，磁場方向反向，則電流方向反向，A正確；電流方向反向，磁場也反向時，安培力的方向不變，B錯誤；由q＝知，因為初

12、、末狀態(tài)磁通量相等，所以通過電阻R的電荷量等于零，C正確；由于金屬棒勻速運動，所以動能不變，即外力做功全部轉化為電熱，Q＝2Fx，D錯誤。] 8．(多選)如圖甲所示，在傾斜角為θ的光滑斜面內分布著垂直于斜面的勻強磁場，以垂直于斜面向上為磁感應強度正方向，其磁感應強度B隨時間變化的規(guī)律如圖乙所示。質量為m的矩形金屬框從t＝0時刻由靜止釋放，t3時刻的速度為v，移動的距離為L，重力加速度為g。在金屬框下滑的過程中，下列說法正確的是(　　) 　甲　　　　　　　　　乙 A．t1～t3時間內金屬框中的電流方向不變 B．0～t3時間內金屬框做勻加速直線運動 C．0～t3時間內金屬框做加速度逐

13、漸減小的直線運動 D．0～t3時間內金屬框中產生的焦耳熱為mgLsin θ－mv2 AB　[t1～t3時間內穿過金屬框的磁通量先垂直于斜面向上減小，后垂直于斜面向下增大，根據(jù)楞次定律可知，金屬框中的電流方向不變，選項A正確；0～t3時間內，金屬框的ab邊與cd邊所受安培力等大反向，金屬框所受安培力為零，則所受的合力沿斜面向下，大小為mgsin θ，做勻加速直線運動，選項B正確，C錯誤；0～t3時間內，金屬框所受的安培力為零，金屬框的機械能守恒，有mgLsin θ＝mv2，故金屬框中產生的焦耳熱不等于mgLsin θ－mv2，選項D錯誤。] 9.(多選)如圖所示，兩根足夠長的光滑平

14、行金屬導軌固定在同一水平面內，兩導軌間的距離為L。導軌上面橫放著兩根導體棒ab、cd，與導軌一起構成閉合回路。兩根導體棒的質量均為m，長度均為L，電阻均為R，其余部分的電阻不計。在整個導軌所在的平面內存在方向豎直向上、磁感應強度大小為B的勻強磁場。開始時，兩導體棒均在導軌上靜止不動，某時刻給導體棒ab以水平向右的初速度v0，則(　　) A．導體棒ab剛獲得速度v0時受到的安培力大小為 B．兩導體棒最終將以的速度沿導軌向右勻速運動 C．兩導體棒運動的整個過程中產生的熱量為mv D．當導體棒ab的速度變?yōu)関0時，導體棒cd的加速度大小為 BC　[當導體棒ab剛獲得速度v0時，導體棒c

15、d還沒開始運動，此時導體棒ab產生的感應電動勢為E＝BLv0，回路中的感應電流為I＝，故此時導體棒ab受到的安培力大小為F＝BIL，解得F＝，選項A錯誤；從開始到兩導體棒達到共同速度的過程中，兩導體棒的總動量守恒，則可得mv0＝2mv，解得其共同速度為v＝，方向沿導軌向右，選項B正確；由能量守恒定律得，整個運動過程中產生的總熱量為Q＝mv－×2mv2，解得Q＝mv，選項C正確；設導體棒ab的速度變?yōu)関0時，導體棒cd的速度大小為v1，則由動量守恒定律可得mv0＝m·v0＋mv1，此時回路中的感應電動勢為E′＝BL，感應電流為I′＝，此時導體棒cd受到的安培力為F′＝BI′L，所以導體棒cd的加

16、速度大小為a＝，解得a＝，選項D錯誤。] 10．(2019·南平市適應性檢測)如圖所示，一對平行的粗糙金屬導軌固定于同一水平面上，導軌間距L＝0.2 m，左端接有阻值R＝0.3 Ω的電阻，右側平滑連接一對彎曲的光滑軌道。僅在水平導軌的整個區(qū)域內存在豎直向上的勻強磁場，磁感應強度大小B＝1.0 T。一根質量m＝0.2 kg、電阻r＝0.1 Ω的金屬棒ab垂直放置于導軌上，在水平向右的恒力F作用下從靜止開始運動，當金屬棒通過位移x＝9 m時離開磁場，在離開磁場前已達到最大速度。當金屬棒離開磁場時撤去外力F，接著金屬棒沿彎曲軌道上升到最大高度h＝0.8 m處。已知金屬棒與導軌間的動摩擦因數(shù)μ＝0.

17、1，導軌電阻不計，棒在運動過程中始終與導軌垂直且與導軌保持良好接觸，取g ＝10 m/s2。求： (1)金屬棒運動的最大速率v； (2)金屬棒在磁場中速度為時的加速度大??； (3)金屬棒在磁場區(qū)域運動過程中，電阻R上產生的焦耳熱。 [解析]　(1)金屬棒從出磁場到上升到彎曲軌道最高點，根據(jù)機械能守恒定律得： mv2＝mgh ① 由①得：v＝＝4 m/s。 ② (2)金屬棒在磁場中做勻速運動時，設回路中的電流為I，根據(jù)平衡條件得 F＝BIL＋μmg ③ I＝④ 聯(lián)立②③④式得F＝0.6 N ⑤ 金屬棒速度為時，設回路中的電流為I′，根據(jù)牛頓第二定律得 F－BI′L－

18、μmg＝ma ⑥ I′＝ ⑦ 聯(lián)立②⑤⑥⑦得：a＝1 m/s2。 ⑧ (3)設金屬棒在磁場區(qū)域運動過程中，回路中產生的焦耳熱為Q，根據(jù)功能關系： Fx＝μmgx＋mv2＋Q ⑨ 則電阻R上的焦耳熱QR＝Q ⑩ 聯(lián)立⑤⑨⑩解得：QR＝1.5 J。 [答案]　見解析 11．如圖甲所示，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。

19、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。 甲　　　　　乙　　　　　丙 (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大?。? (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)由題圖乙可得拉力F的大小隨時間t變化的函數(shù)表達式為 F＝F0＋t＝0.4＋0.1t(N) 當b棒勻加速運動時，根據(jù)牛頓第二定律有 F－Ff

20、－F安＝ma F安＝B0IL E＝B0Lv I＝＝ v＝at 所以F安＝t 聯(lián)立可得F＝Ff＋ma＋t 由圖象可得： 當t＝0時，F(xiàn)＝0.4 N， 當t＝1 s時，F(xiàn)＝0.5 N。 代入上式，可解得a＝5 m/s2，F(xiàn)f＝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棒所受安培力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 V I′＝＝1 A b棒將要運動時，有F′安＝BtI′L＝Ff 所以Bt＝1 T，根據(jù)Bt＝B0＋t 解得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 9