2023年2021高中物理人教版一轮复习训练:18法拉第电磁感应定律及其应用1.pdf
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1、晨鸟教育 18 法拉第电磁感应定律及其应用 考点分析 1 高考对本部分内容的考查命,大部分以选择题的形式出题,也有部分是计算题。考查内 容主要集中在利用电磁感应基本规律分析动态过程。2 注意要点:电磁感应中的有些题目可以从动量角度着手,运用动量定理或动量守恒定律 解决。例 1(2020 全国卷 I 21)如图,U 形光滑金属框 abcd 置于水平绝缘平台上,ab 和 dc 边平行,和 bc 边垂直。ab、dc 足够长,整个金属框电阻可忽略。一根具有一定电阻的导体棒 MN 置 于金属框上,用水平恒力 F 向右拉动金属框,运动过程中,装置始终处于竖直向下的匀强 磁场中,MN 与金属框保持良好接触,
2、且与 bc 边保持平行。经过一段时间后()A.金属框的速度大小趋于恒定值 B.金属框的加速度大小趋于恒定值 C.导体棒所受安培力的大小趋于恒定值 D.导体棒到金属框 bc 边的距离趋于恒定值【答案】BC【解析】由 bc 边切割磁感线产生电动势,形成电流,使得导体棒 MN 受到向右的安培力,做加速运动,bc 边受到向左的安培力,向右做加速运动。当 MN 运动时,金属框的 bc 边和 导体棒 MN 一起切割磁感线,设导体棒 MN 和金属框的速度分别为 v1、v2,则电路中的电动 E BL(v v)2 2 B L(v v)势 E BL(v2 v1),电流中的电流 2 1,金属框受到的安培力,I F
3、2 1 R R R B L(v v)2 2 与运动方向相反,导体棒 MN 受到的安培力,与运动方向相同,设导体棒 F 2 1 MN R B L v v 2 2()MN 和金属框的质量分别为 m1、m2,则对导体棒 MN 有,对金属框有 2 1 m a 1 1 R B L(v v)F 2 2 F m a,初始速度均为零,则 a1 从零开始逐渐增加,a2 从 开始逐渐减小。2 1 2 2 R m 2 Earlybird着手运用动量定理或动量守恒定律解决例全国卷如图形光滑金属框置于水平绝缘平台上和边平行和边垂直足够长整个 竖直向下的匀强磁中与金属框保持良好接触且与边保持平行经过一段时间后金属框的速度
4、大小趋于恒定值金属框的加 磁感线产生电动势形成电流使得导体棒受到向右的安培力做加速运动边受到向左的安培力向右做加速运动当运动时金晨鸟教育 FRm 当 a1 a2 时,相对速度 v v 1,大小恒定。整个运动过程用速度时间图象描 2 1 2 2 1 2 B L(m m)述如图所示。综上可得,金属框的加速度趋于恒定值,安培力也趋于恒定值,BC 正确;金 属框的速度会一直增大,导体棒到金属框 bc 边的距离也会一直增大,AD 错误。例 2(2020 全国卷 III 24)如图,一边长为 l0 的正方形金属框 abcd 固定在水平面内,空间存 在方向垂直于水平面、磁感应强度大小为 B 的匀强磁场。一长
5、度大于 2 l0 的均匀导体棒以 速率 v 自左向右在金属框上匀速滑过,滑动过程中导体棒始终与 ac 垂直且中点位于 ac 上,导体棒与金属框接触良好。已知导体棒单位长度的电阻为 r,金属框电阻可忽略。将导体棒 与 a 点之间的距离记为 x,求导体棒所受安培力的大小随 x(0 x 2 l0)变化的关系式。【解析】当导体棒与金属框接触的两点间棒的长度为 l 时,由法第电磁感应定律可知导体棒 上感应电动势的大小为:E BLv 由欧姆定律可知流过导体棒的感应电流为 I E R 式中 R 为这一段导体棒的电阻。按题意有 R rl 此时导体棒所受安培力大小为 F BIl 由题设和几何关系有:I 2 2x
6、,(0 x l)0 2 2 2(2 l x),(l x 2 l)2 0 0 0 联立各式得 F 2B v 2 2 x,(0 x l)0 r 2 2 B v 2 2(2 l x),(l x 2 l)着手运用动量定理或动量守恒定律解决例全国卷如图形光滑金属框置于水平绝缘平台上和边平行和边垂直足够长整个 竖直向下的匀强磁中与金属框保持良好接触且与边保持平行经过一段时间后金属框的速度大小趋于恒定值金属框的加 磁感线产生电动势形成电流使得导体棒受到向右的安培力做加速运动边受到向左的安培力向右做加速运动当运动时金 r 2 0 0 0 提分训练 Earlybird着手运用动量定理或动量守恒定律解决例全国卷如
7、图形光滑金属框置于水平绝缘平台上和边平行和边垂直足够长整个 竖直向下的匀强磁中与金属框保持良好接触且与边保持平行经过一段时间后金属框的速度大小趋于恒定值金属框的加 磁感线产生电动势形成电流使得导体棒受到向右的安培力做加速运动边受到向左的安培力向右做加速运动当运动时金晨鸟教育 1(多选)如图甲,在同一平面内固定有一长直导线 PQ 和一导线框 R,R 在 PQ 右侧,导线 PQ 中通有电流 i,i 的变化如图乙所示,规定从 Q 到 P 为电流正方向。以下说法正确的是()A 在 0 t1 时间段内,导线框 R 有扩张的趋势 B 在 t1 时导线框 R 中的感应电动势为零 C 在 0 t1 和 t1
8、t2 时间段内导线框 R 中的感应电流均沿顺时针方向 D 在 t1 时导线框 R 中的感应电流方向发生改变【答案】AC【解析】在 0 t1 时间段内,通过直导线的电流向上减小,则穿过线框 R 的磁通量减小,根 据楞次定律“增缩减扩”可知,导线框 R 有扩张的趋势,A 正确;在 t1 时直导线中电流为零,但是电流的变化率不为零,通过线框 R 的磁通量的变化率不为零,则导线框 R 中的感应电 动势不为零,B 错误;在 0 t1 时间内,通过直导线的电流向上减小,则穿过线框 R 的磁通 量向里减小,根据楞次定律,线框 R 中产生顺时针方向的感应电流;同理在 t1 t2 时间内,通过直导线的电流向下增
9、加,则穿过线框 R 的磁通量向外增加,根据楞次定律,线框 R 中 产生顺时针方向的感应电流,则在 t1 时导线框 R 中的感应电流方向不发生改变,C 正确,D 错误。2(多选)如图甲所示,平行光滑金属导轨水平放置,两轨相距 L 0.4 m,导轨一端与阻值 R 0.3 的电阻相连,导轨电阻不计。导轨 x 0 一侧存在沿 x 正方向均匀增大的磁场,其方 向与导轨平面垂直向下,磁感应强度 B 随位置 x 变化如图乙所示。一根质量 m 0.2 kg、接 入电路的电阻 r 0.1 的金属棒置于导轨上,并与导轨垂直,棒在外力 F 作用下从 x 0 处 以初速度 v0 2 m/s 沿导轨向右变速运动,且金属
10、棒在运动过程中受到的安培力大小不变。下列说法中正确的是()A 金属棒向右做匀减速直线运动 Earlybird着手运用动量定理或动量守恒定律解决例全国卷如图形光滑金属框置于水平绝缘平台上和边平行和边垂直足够长整个 竖直向下的匀强磁中与金属框保持良好接触且与边保持平行经过一段时间后金属框的速度大小趋于恒定值金属框的加 磁感线产生电动势形成电流使得导体棒受到向右的安培力做加速运动边受到向左的安培力向右做加速运动当运动时金晨鸟教育 B 金属棒在 x 1 m 处的速度大小为 1.5 m/s C 金属棒从 x 0 运动到 x 1 m 过程中,外力 F 所做的功为 0.175 J D 金属棒从 x 0 运动
11、到 x 2 m 过程中,流过金属棒的电荷量为 2 C【答案】CD【解析】根据题图乙得 B 与 x 的函数关系式 B 0.5 0.5 x,金属棒向右运动切割磁感线产生 E BLv BLv B2L 2v 感应电动势 E BLv,感应电流 I,安培力 F 安 BIL B L,解得 v R r R r R r R r F 安 R r 0.4 F安 10 F安,根据匀变速直线运动的速度位移公式 v2 v02 B 2L 2 0.5 0.5 x 2 0.4 2 x 1 2 2 ax,如果是匀变速直线运动,v2 与 x 成线性关系,而由上式知,金属棒不可能做匀减速 直线运动,故 A 错误;根据题意金属棒所受的
12、安培大小不变,x 0 处与 x 1 处安培大小相 B 02 L 2v 0 B 12 L 2v 1 B 02 v 0 等,有,即 v1 0.5 m/s,故 B 错误;金属棒在 x 0 处的安培力大小 R r R r B12 B 02 L 2v 0 为 F 安 0.2 N,对金属棒从 x 0 运动到 x 1 m 过程中,根据动能定理有 WF F 安 x R r 1 1 B x mv12 mv02,代入数据解得 WF 0.175 J,故 C 正确;根据电荷量公式 q 2 2 R r R r 0.5 1.5 L,x 0 到 x 2 m 过程中 B x 图象包围的面积 B x 2 T m 2 T m,q
13、 2 R r 2 0.4 0.4 C 2 C,故 D 正确。3(多选)如图所示,虚线为相邻两个匀强磁场区域 和 的边界,两个区域的磁场磁感应强 度大小都为 B,方向相反且都垂直于纸面,两个区域的高度都为 l。一质量为 m,边长也为 l 的单匝矩形导线框 abcd,从磁场区域上方某处由静止释放,ab 边进入区域 之前,线框已 开始做匀速运动,速度大小为 v1,当线框的 ab 边下落到出区域 之前,线框又开始做匀速 运动,速度大小为 v2。下落过程中,ab 边保持水平且线框不发生转动,已知重力加速度为 g,下列说法正确的是()A 线框进入磁场区域 过程中,可能加速度减小,速度变大 1 B v2 v
14、1 4 着手运用动量定理或动量守恒定律解决例全国卷如图形光滑金属框置于水平绝缘平台上和边平行和边垂直足够长整个 竖直向下的匀强磁中与金属框保持良好接触且与边保持平行经过一段时间后金属框的速度大小趋于恒定值金属框的加 磁感线产生电动势形成电流使得导体棒受到向右的安培力做加速运动边受到向左的安培力向右做加速运动当运动时金Earlybird着手运用动量定理或动量守恒定律解决例全国卷如图形光滑金属框置于水平绝缘平台上和边平行和边垂直足够长整个 竖直向下的匀强磁中与金属框保持良好接触且与边保持平行经过一段时间后金属框的速度大小趋于恒定值金属框的加 磁感线产生电动势形成电流使得导体棒受到向右的安培力做加速
15、运动边受到向左的安培力向右做加速运动当运动时金晨鸟教育 C 当线框的 ab 边刚进入区域 时,加速度大小为 g D 线框出磁场区域 过程中,可能加速度减小,速度减小【答案】AB【解析】如果线框进入磁场时安培力小于重力,根据牛顿第二定律可得 mg FA ma,即 a g B L v 2 2 mR,速度增大,加速度减小,所以线框进入磁场区域 过程中,可能加速度减小,B L v 2 2 速度变大,故 A 正确;ab 边刚进入区域 时,线框受到的安培力 F BIl,线框做匀 R B L v 2 2 mgR 速运动,处于平衡状态,由平衡条件得 mg,解得 v1;线框 ab 边下落到区域 R 2 2 B
16、l 4 B L v 2 2 中间位置时,线框又开始做匀速运动,设此时线框的速度为 v2,安培力为 F 安,2 R 1 由平衡条件得 mg F 安,解得 v2 v1,故 B 正确;当 ab 边刚进入磁场区域 时,ab 和 cd 4 E 两边都切割磁感线产生感应电动势,回路中感应电动势为:E 2 Blv1,感应电流,线 I R 4 B L v 2 2 1 框所受的安培力大小为 F 安 2 BI l 4 mg,根据牛顿第二定律得 F 安 mg ma,R 解得:a 3 g,方向:竖直向上,故 C 错误;线框出磁场区域 过程中,安培力小于重力,B L v 2 2 由 mg FA ma,得 a g,速度增
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