2020年高考物理100考点最新模拟题千题精练专题4.10 电磁感应中的动力学问题(提高篇)(解析版).docx

2020 年高考物理 100 考点最新模拟题千题精练（选修 3-2）第四部分 电磁感应专题 4.10 电磁感应中的动力学问题（提高篇）一选择题1（6 分）（2019 湖北四地七校考试联盟期末）如图所示，两根平行光滑金属导轨固定在同一水平面内，其左端接有定值电阻 R，建立 ox 轴平行于金属导轨，在 0x4m的空间区域内存在着垂直导轨平面向下的磁场，磁感应强度 B 随坐标 x（以 m 为单位）的分布规律为 B0.80.2x（T），金属棒 ab 在外力作用下从 x0 处沿导轨向右运动，ab 始终与导轨垂直并接触良好，不计导轨和金属棒的电阻。设在金属棒从 x11m 处，经 x 2m 到 x 3m 的过程中，电阻器 R 的电功率始终保持不变，则（）23A金属棒做匀速直线运动B金属棒运动过程中产生的电动势始终不变C金属棒在 x 与 x 处受到磁场 B 的作用力大小之比为 3：212D金属棒从 x 到 x 与从 x 到 x 的过程中通过 R 的电量之比为 5：31223【参考答案】BCD。【名师分析】磁感应强度随 x 增大而减小，ab 棒在外力作用下在磁场中运动，切割磁感线。已知金属棒从x 1m 经 x 2m 到 x 3m 的过程中，R 的电功率保持不变，由功率公式分析判断电动势关系。从而很容123易判断感应电动势的大小，电荷量的比值同样用平均值方法来求，安培力之比用安培力公式来求，难于判定的是热量，虽然电流相等但不知时间关系，所以由图象法来求，Fx 图象与坐标轴围成的面积就是功，而面积是梯形面积，很好表示，那么克服安培力做功的比值就能求出【名师解析】由功率的计算式：P，知道由于金属棒从 x 1m 经 x 2m 到 x 3m 的过电功率123保持不变，所以 E 应不变，沿 x 轴方法，B 逐渐减小，E 不变，由 EBLv 可知，金属棒的速度 v 增大，金属棒做加速运动，故选项 A 错误，B 正确。由安培力公式 FBIL 及 PEI 知： ，故选项 C 正确。 由于金属棒从 x 1m 经 x 2m 到 x 3m 的过程中，R 的电功率保持不变，由 PI R 知道 R 中的电流相2123等，再由安培力公式 FBIL，所以 Fx 图象如图所示显然图象与坐标轴围成的面积就是克服安培力做的功，即 R 产生的热量，所以： ，根据热量 QI Rt，热量之比为 5：3，电流相同，说明2时间之比为 5：3，因此电量 ，故选项 D 正确。【名师点评】本题的难点在于没有一个对比度，导体棒ab 在随 x 的增大而减小的磁场中在外力作用下切割磁感线，而巧妙的是在某一路段 R 上的电功率相同，预示着电路的电流和 R 上电压相同，则安培力正比于磁感应强度，均匀减小。克服安培力的功转化为焦耳热，所以Fx 图象与坐标轴围成的面积就是功。虽然不知外力怎么变化，但它与解决问题无多大关联。2(2016河南洛阳高三统考)如图所示，水平放置的光滑平行金属导轨，左端通过开关S 与内阻不计、电动势为 E 的电源相连，右端与半径为 L20 cm 的光滑圆弧导轨相接。导轨宽度为 20 cm，电阻不计。导轨所在空间有竖直方向的匀强磁场，磁感应强度B0.5 T。一根垂直导轨放置的质量 m60 g、电阻 R1 、长为 L 的导体棒 ab，用长也为 20 cm 的绝缘细线悬挂，导体棒恰好与导轨接触。当闭合开关S 后，导体棒沿圆弧摆动，摆动过程中导体棒始终与导轨接触良好且细线处于张紧状态。当导体棒ab 速度最大时，细线与竖直方向的夹角 53(sin 530.8，g10 m/s )，则()2A磁场方向一定竖直向上B电源的电动势 E8.0 VC导体棒在摆动过程中所受安培力 F8 N【参考答案】BDD导体棒摆动过程中的最大动能为 0.08 J 【名师解析】当闭合开关 S 后，导体棒中电流方向从 a 到 b，导体棒沿圆弧摆动，说明所受安培力向右，由左手定则可判断出磁场方向为竖直向下，不可能竖直向上，选项 A 错误；根据题述，导体棒 ab 速度最大时，细线与竖直方向的夹角 53，可知此时导体棒重力沿导轨圆弧切线方向的分力mgsin 53等于安培力沿导轨圆弧切线方向的分力 BILcos 53，即 mgsin 53BILcos 53，解得 I8.0 A，由闭合电路欧姆定律，EIR8.0 V，选项 B 正确；导体棒在摆动过程中所受安培力 FBIL0.58.00.2 N0.8 N，选项 C 错误；由以上分析知，导体棒受到的重力与安培力的合力大小 F 0.8 0.6 N1.0 N，方向与竖直方向22合成 53角，故导体棒在摆动过程中的最大动能为E F L(1cos 53)0.08 J，选项 D 正确。合km3如图甲所示，在列车首节车厢下面安装一电磁铁，电磁铁产生垂直于地面的匀强磁场，首节车厢经过安放在两铁轨间的线圈时，线圈中产生的电脉冲信号传到控制中心图乙为某时控制中心显示屏上的电脉冲信号，则此时列车的运动情况是()A匀速运动B匀加速运动C匀减速运动D变加速运动【参考答案】C【名师解析】由 ut 图象可知，线圈两端的电压大小随时间均匀减小，即有uU kt 或 uU kt，由00U kt UU ktkt0 ，其中 U 、k、l、B 是一定的，即法拉第电磁感应定律 uBlv，解得 v 0 或 v0BlBl BlBlBl0速度随时间均匀减小，所以此时列车做匀减速运动，选项C 正确，A、B、D 错误二计算题1. （16 分）（2019 上海浦东二模）如图 1 所示是依附建筑物架设的磁力缓降高楼安全逃生装置，具有操作简单、无需电能、逃生高度不受限制，下降速度可调、可控等优点。该装置原理可等效为：间距L=0.5m 的两根竖直导轨上部连通，人和磁铁固定在一起沿导轨共同下滑，磁铁产生磁感应强度 B=0.2T 的匀强磁场。人和磁铁所经位置处，可等效为有一固定导体棒 cd 与导轨相连，整个装置总电阻始终为 R，如图 2 所示。在某次逃生试验中，质量 M =80kg 的测试者利用该装置以 v =1.5m/s 的速度匀速下降，已知与人一起下滑部11分装置的质量 m=20kg，重力加速度取 g=10m/s ，且本次试验过程中恰好没有摩擦。2 vcdL图 12图（1）判断导体棒 cd 中电流的方向；（2）总电阻 R 多大？（3）如要使一个质量 M =100kg 的测试者利用该装置以 v =1.5m/s 的速度匀速下滑，其摩擦力 f 多大？21（4）保持第（3）问中的摩擦力不变，让质量M =100kg 测试者从静止开始下滑，测试者的加速度将会如何2变化？当其速度为 v =0.78m/s 时，加速度a 多大？要想在随后一小段时间内保持加速度不变，则必需调控2摩擦力，请写出摩擦力大小随速率变化的表达式。【名师解析】（16 分）（1）（3 分）从 d 到 cERBLvB L v22（2）（7 分）对导体棒：电动势E BLv ；感应电流I；安培力F = BIL =111RRA由左手定则可判断，导体棒 cd 所受安培力方向向下，根据牛顿第三定律可知磁铁受到磁场力向上，大小为B L v=22F1RA( ) B L v122+对 M 和 m：由平衡条件可得 M m g = F =11ARB L v0.2 0.5 1.52 222R =1.510 W-5(1)M +m g (80+ 20)101( )B L v+ f22+ f+（3）（1 分）对 M 和 m：由平衡条件可得 M m g = F=122RA0.2 0.5 1.5()B L v22f = M + m g -22= (100+ 20)10 -= 200N11.510-52R()AB L v2 2M + m g - F - f =（M + m）aAF =（4）（5 分）对 M 和 m：根据牛顿第二定律得，2R22 () B2 L2vM + m g - f2R所以 a=M + m2因为 v 逐渐增大，最终趋近于匀速，所以逐渐 a 减小，最终趋近于 0。0.2 0.5 0.78() B2L2v22M + m g -2- f 1200 - 2001.510-52R= 4m / s2当其速度为 v =0.78m/s 时， a2M m+1202要想在随后一小段时间内保持加速度不变，则由() B2L2v()，M + m g - f = M + m a2R220003() B2L2v ()= M + m g - M + m a=720 -v（ v ）0.78m/s 1.08m/s得 f2R22.（2019 江苏镇江丹阳高中三模）如图所示，质量为 m、电阻为 R 的单匝矩形线框置于光滑水平面上，线框边长 abL、ad2L虚线 MN 过 ad、bc 边中点。一根能承受最大拉力 F 的细线沿水平方向拴住 ab 边0中点 O从某时刻起，在 MN 右侧加一方向竖直向下的匀强磁场，磁感应强度大小按 Bkt 的规律均匀变化。一段时间后，细线被拉断，线框向左运动，ab 边穿出磁场时的速度为 v。求：（1）细线断裂前线框中的电功率P；（2）细线断裂后瞬间线框的加速度大小a 及线框离开磁场的过程中安培力所做的功 W；（3）线框穿出磁场过程中通过导线截面的电量q。【思路分析】（1）根据法拉第电磁感应定律与电功率表达式，即可求解；（2）依据牛顿第二定律与动能定理，即可求解；（3）依据安培力表达式，结合闭合电路欧姆定律，及电量表达式，即可求解。【名师解析】（1）根据法拉第定律：EkL ；2电功率：P （2）细线断裂瞬间安培力：F F ，线框的加速度 aA0线框离开磁场过程中，由动能定理：W mv ；2（3）设细线断裂时刻磁感应强度为B ，则有：ILB F ，110其中 I 线圈穿出磁场过程： 电流 通过的电量：q t解得：q答：（1）细线断裂前线框中的电功率；（2）细线断裂后瞬间线框的加速度大小 及线框离开磁场的过程中安培力所做的功 mv ；2（3）线框穿出磁场过程中通过导线截面的电量。3.(2017洛阳第三次统测)相距 L0.5 m 的平行导轨 MNL 和 PQR 如图所示质量 m 0.2 kg 的导体棒 ab1垂直 MN、PQ 置于光滑的水平导轨上，质量 m 0.2 kg 的水平导体棒 cd 紧贴在动摩擦因数为 0.2 的竖2直导轨段 NL、QR 右侧，且 与导轨垂直，两棒接入电路部分电阻值均为R0.1 ，其他各处电阻不计，整个装置位于竖直向上的匀强磁场中，磁感应强度 B1 T 现静止释放 cd 棒的同时，用平行于 MN 方向向左的外力 F 拉动 ab 棒使其由静止开始做加速度 a2 m/s 的匀加速直线运动，速度达到 v 10 m/s 后保持21v 做匀速直线运动导轨 MNL 和 PQR 足够长求：1(1)导体棒 cd 中的感应电流方向(2)导体棒 ab 保持 v 做匀速直线运动时外力 F 的功率 P .1F(3)导体棒 cd 从开始运动到速度最大所用的时间 t. 【名师解析】 (1) ab 切割磁感线，产生感应电动势，cd 棒不切割磁感线，不产生感应电动势由右手定则知电流由 a 流向 b 再经 c 流向 d，导体棒 cd 中的感应电流方向由 c 流向 d(2) 导体棒 ab 做匀速直线运动时，外力等于安培力感应电动势 EBLv1E BLv电路电流 I 12R2RB2L2v安培力 FBIL12RB2L2v2P Fv1125 W1F2R(3) 当 cd 棒的加速度为 0 时速度达到最大，设此时 ab 棒速度为 v2对 cd 受力分析B2L2v水平方向 F F 2安 2NR竖直方向 m gfFN2mB L v2 2则m g22R22m gR此时 ab 棒的速度为 v 8 m/s22mB L2 2v2即 t 4 s 时 cd 速度最大a4.(14分)如图所示，两根足够长的光滑平行金属导轨MN、PQ间距为l0.5 m，其电阻不计，两导轨及其构成的平面均与水平面成 30角完全相同的两金属棒 ab、cd 分别垂直导轨放置，每棒两端都与导轨始终有良好接触，已知两棒质量均为 m0.02 kg，电阻均为 R0.1 ，整个装置处在垂直于导轨平面向上的匀强磁场中，磁感应强度B0.2 T，棒 ab 在平行于导轨向上的力F 作用下，沿导轨向上匀速运动，而棒 cd 恰好能够保持静止，取 g10 m/s ，问：2(1)通过棒 cd 的电流 I 是多少，方向如何？(2)棒 ab 受到的力 F 多大？ (3)棒 cd 每产生 Q0.1 J 的热量，力 F 做的功 W 是多少？【参考答案】(1)1 A 方向由 d 至 c (2)0.2 N (3)0.4 J【名师解析】 (1)棒 cd 受到的安培力 F BIlcd棒 cd 在共点力作用下受力平衡，则 F mgsin 30cd代入数据解得 I1 A根据楞次定律可知，棒 cd 中的电流方向由 d 至 c(2)棒 ab 与棒 cd 受到的安培力大小相等 F Fabcd对棒 ab，由受力平衡知 Fmgsin 30BIl代入数据解得 F0.2 N(3)设在时间 t 内棒 cd 产生 Q0.1 J 的热量，由焦耳定律知 QI Rt2设棒 ab 匀速运动的速度大小为 v，其产生的感应电动势 EBlvE由闭合电路欧姆定律知 I2R由运动学公式知在时间 t 内，棒 ab 沿导轨运动的位移 xvt力 F 做的功 WFx综合上述各式，代入数据解得 W0.4 J5. (2016江南十校联考)(18 分)如图，MN、PQ 为两根足够长的水平放置的平行金属导轨，间距L1 m；整个空间以 OO为边界，左侧有垂直导轨平面向上的匀强磁场，磁感应强度大小B 1 T，右侧有方向相同、1磁感应强度大小 B 2 T 的匀强磁场。两根完全相同的导体棒 a、b，质量均为 m0.1 kg，与导轨间的动摩2擦因数均为 0.2，其在导轨间的电阻均为R1 。开始时，a、b 棒均静止在导轨上，现用平行于导轨的恒力 F0.8 N 向右拉 b 棒。假定 a 棒始终在 OO左侧运动，b 棒始终在 OO右侧运动，除导体棒外其余电阻不计，滑动摩擦力和最大静摩擦力大小相等，g 取 10 m/s 。2(1)a 棒开始滑动时，求 b 棒的速度大小；(2)当 b 棒的加速度为 1.5 m/s 时，求 a 棒的加速度大小；2(3)已知经过足够长的时间后，b 棒开始做匀加速运动，求该匀加速运动的加速度大小，并计算此时 a 棒中电流的热功率。【名师解析】 (1)设 a 棒开始滑动时电流强度为 I，b 棒的速度为 v 由共点力平衡知识，得mgB IL1由法拉第电磁感应定律和欧姆定律知B Lv2RI2 联立知v0.2 m/s(2)设 a 棒的加速度为 a ，b 棒的加速度为 a 。由牛顿第二定律知12B ILmgma 11FB ILmgma 22联立式a 0.25 m/s21(3)设 a 棒开始做匀加速运动加速度 a ，b 棒开始做匀加速运动加速度为 a 12由牛顿第二定律知B ILmgma 11FB ILmgma 22由法拉第电磁感应定律和欧姆定律知B Lv B LvI22112R由于电流不变，则(B Lv B Lv )为常量2211所以两棒加速度满足以下关系2a a 21联立知I0.28 A式代入式知a 0.4 m/s22由焦耳定律知PI2R代入数据 P0.078 4 W答案 (1)0.2 m/s (2)0.25 m/s (3)0.4 m/s 0.078 4 W226(12分)如图所示，两根足够长的光滑直金属导轨MN、PQ平行固定在倾角37的绝缘斜面上，两导轨间距 L1 m，导轨的电阻可忽略M、P 两点间接有阻值为 R 的电阻一根质量 m1 kg、电阻 r0.2 的均匀直金属杆ab 放在两导轨上，与导轨垂直且接触良好整套装置处于磁感应强度B0.5 T的匀强磁场中，磁场方向垂直导轨向下自图示位置起，杆 ab 受到大小为 F0.5v2(式中 v 为杆 ab 运动的速度，力F 的单位为N)、方向沿导轨向下的拉力作用，由静止开始运动，测得通过电阻R 的电流随时间均匀增大g取 10 m/s ，sin 370.6.2(1)试判断金属杆 ab 在匀强磁场中做何种运动，并写出推理过程；(2)求电阻 R 的阻值；(3)求金属杆 ab 由静止开始下滑通过位移 x1 m 所需的时间 t.EBLv【名师解析】 (1)通过电阻 R 的电流 I，Rr Rr由于通过 R 的电流 I 随时间均匀增大，故金属杆的速度v 随时间均匀增大，即金属杆的加速度为恒量，所以金属杆做匀加速直线运动BLv(2)对回路，根据闭合电路欧姆定律得 IRr对杆，根据牛顿第二定律有 Fmgsin BILma将 F0.5v2 代入得2mgsin (0.5B2L2)vmaRr2mgsin 因为 a 与 v 无关，所以 a8 m/s2m由 0.5B2L20 得 R0.3 Rr122x(3)由 x at 得，所需时间 t0.5 s.2a