备战高考物理易错题专题训练-电磁感应现象的两类情况练习题

备战高考物理易错题专题训练-电磁感应现象的两类情况练习题
一、电磁感应现象的两类情况
1．某科研机构在研究磁悬浮列车的原理时，把它的驱动系统简化为如下模型；固定在列车下端的线圈可视为一个单匝矩形纯电阻金属框，如图甲所示，MN 边长为L ，平行于y 轴，MP 边宽度为b ，边平行于x 轴，金属框位于xoy 平面内，其电阻为1R ；列车轨道沿
Ox 方向，轨道区域内固定有匝数为n 、电阻为2R 的“
”字型（如图乙）通电后使
其产生图甲所示的磁场，磁感应强度大小均为B ，相邻区域磁场方向相反（使金属框的
MN 和PQ 两边总处于方向相反的磁场中）．已知列车在以速度v 运动时所受的空气阻力
f F 满足2f F kv =（k 为已知常数）．驱动列车时，使固定的“
”字型线圈依次通
电，等效于金属框所在区域的磁场匀速向x 轴正方向移动，这样就能驱动列车前进．
（1）当磁场以速度0v 沿x 轴正方向匀速移动，列车同方向运动的速度为v （0v <）时，金属框MNQP 产生的磁感应电流多大？（提示：当线框与磁场存在相对速度v 相时，动生电动势E BLv =相）
（2）求列车能达到的最大速度m v ；
（3）列车以最大速度运行一段时间后，断开接在“
” 字型线圈上的电源，使线圈
与连有整流器（其作用是确保电流总能从整流器同一端流出，从而不断地给电容器充电）的电容器相接，并接通列车上的电磁铁电源，使电磁铁产生面积为L b ⨯、磁感应强度为
B '、方向竖直向下的匀强磁场，使列车制动，求列车通过任意一个“
”字型线圈
时，电容器中贮存的电量Q ．
【答案】(1) 012() BL v v R -2222
101
22BL B L kR v B L +-2
4nB Lb R '
【解析】 【详解】
解：(1)金属框相对于磁场的速度为：0v v - 每边产生的电动势：0()E BL v v =-
由欧姆定律得：1
2E I R = 解得：01
(2 )
BL v v I R -=
(2)当加速度为零时，列车的速度最大，此时列车的两条长边各自受到的安培力：
B F BIL =
由平衡条件得：20B f F F -= ，已知：2
f F kv =
解得：2222
101
22m BL B L kR v B L v kR +-=
(3)电磁铁通过字型线圈左边界时，电路情况如图1所示：
感应电动势：n E t
φ
∆=∆，而B Lb φ∆=' 电流：12
E I R =
电荷量：11Q I t =∆ 解得：12
nB Lb
Q R '= 电磁铁通过
字型线圈中间时，电路情况如图2所示：B Lb φ∆='，
2222E n
I R t
φ
∆==∆ 22Q I t =∆
解得：22
2nB Lb
Q R '= 电磁铁通过
字型线圈右边界时，电路情况如图3所示：n E t
φ
∆=
∆， B Lb φ∆='，32
E I R =
33Q I t =∆
解得：32
nB
Lb
Q R '=
， 总的电荷量：123Q Q Q Q =++ 解得：2
4nB Lb
Q R '=
2．如图所示，在倾角30o θ=的光滑斜面上，存在着两个磁感应强度大小相等、方向分别垂直斜面向上和垂直斜面向下的匀强磁场，两磁场宽度均为L 。

一质量为m 、边长为L 的正方形线框距磁场上边界L 处由静止沿斜面下滑，ab 边刚进入上侧磁场时，线框恰好做匀速直线运动。

ab 边进入下侧磁场运动一段时间后也做匀速度直线运动。

重力加速度为g 。

求：
（1）线框ab 边刚越过两磁场的分界线ff′时受到的安培力； （2）线框穿过上侧磁场的过程中产生的热量Q 和所用的时间t 。

【答案】(1)安培力大小2mg ，方向沿斜面向上(2)4732mgL Q = 7
2L
t g
= 【解析】 【详解】
(1）线框开始时沿斜面做匀加速运动，根据机械能守恒有
2
1sin 302
mgL mv ︒=
， 则线框进入磁场时的速度
2sin30v g L gL =︒=
线框ab 边进入磁场时产生的电动势E =BLv 线框中电流
E I R
=
ab 边受到的安培力
22B L v
F BIL R
==
线框匀速进入磁场，则有
22sin 30B L v
mg R
︒= ab 边刚越过ff '时，cd 也同时越过了ee '，则线框上产生的电动势E '=2BLv 线框所受的安培力变为
22422B L v
F BI L mg R
==''=
方向沿斜面向上
（2）设线框再次做匀速运动时速度为v '，则
224sin 30B L v mg R
︒=
'
解得
4v v =
'=根据能量守恒定律有
2211
sin 30222
mg L mv mv Q ︒'⨯+=+
解得4732
mgL
Q =
线框ab 边在上侧磁扬中运动的过程所用的时间1L t v
=
设线框ab 通过ff '后开始做匀速时到gg '的距离为0x ，由动量定理可知：
22sin 302mg t BLIt mv mv ︒-='-
其中
()022BL L x I t R
-=
联立以上两式解得
()02432L x v t v
g
-=
-
线框ab 在下侧磁场匀速运动的过程中，有
00
34x x t v v
='=
所以线框穿过上侧磁场所用的总时间为
123t t t t =++=
3．如图所示，足够长的光滑平行金属导轨MN 、PQ 倾斜放置，两导轨间距离为L ，导
轨平面与水平面间的夹角θ，所处的匀强磁场垂直于导轨平面向上，质量为m 的金属棒
ab 垂直于导轨放置，导轨和金属棒接触良好，不计导轨和金属棒ab 的电阻，重力加速度为g ．若在导轨的M 、P 两端连接阻值R 的电阻，将金属棒ab 由静止释放，则在下滑的
过程中，金属棒ab 沿导轨下滑的稳定速度为v ，若在导轨M 、P 两端将电阻R 改接成电容为C 的电容器，仍将金属棒ab 由静止释放，金属棒ab 下滑时间t ，此过程中电容器没有被击穿，求：
（1）匀强磁场的磁感应强度B 的大小为多少？ （2）金属棒ab 下滑t 秒末的速度是多大？ 【答案】（1）2sin mgR B L v
θ=2）sin sin t gvt v v CgR θθ=+ 【解析】
试题分析：（1）若在M 、P 间接电阻R 时，金属棒先做变加速运动，当加速度为零时做匀速运动，达到稳定状态．则感应电动势E BLv =，感应电流E
I R
=
，棒所受的安培力F BIL =
联立可得22B L v
F R
=，由平衡条件可得F mgsin θ=，解得2
mgRsin B L v θ （2）若在导轨 M 、P 两端将电阻R 改接成电容为C 的电容器，将金属棒ab 由静止释放，产生感应电动势，电容器充电，电路中有充电电流，ab 棒受到安培力． 设棒下滑的速度大小为v '，经历的时间为t 则电容器板间电压为 U E BLv ='=
此时电容器的带电量为
Q CU = 设时间间隔△t 时间内流经棒的电荷量为Q V
则电路中电流
Q C U CBL v i t t t ∆∆∆===∆∆∆，又v
a t
∆=∆，解得i CBLa = 根据牛顿第二定律得mgsin BiL ma θ-=，解得22mgsin gvsin a m B L C v CgRsin θθ
θ
=
=++
所以金属棒做初速度为0的匀加速直线运动，ts 末的速度gvtsin v at v CgRsin θ
θ
'==
+．
考点：导体切割磁感线时的感应电动势；功能关系；电磁感应中的能量转化
【名师点睛】本题是电磁感应与电路、力学知识的综合，关键要会推导加速度的表达式，通过分析棒的受力情况，确定其运动情况．
4．如图所示，光滑导线框abfede 的abfe 部分水平，efcd 部分与水平面成α角，ae 与ed 、bf 与cf 连接处为小圆弧，匀强磁场仅分布于efcd 所在平面，方向垂直于efcd 平面，线框边ab 、cd 长均为L ，电阻均为2R ，线框其余部分电阻不计。

有一根质量为m 、电阻为R 的金属棒MN 平行于ab 放置，让它以初速水平向右运动在到达最高点的过程中，ab 边产生的热量为Q 。

求：
(1)金属棒MN 受到的最大安培力的大小； (2)金属棒MN 刚进入磁场时，ab 边的发热功率； (3)金属棒MN 上升的最大高度。

【答案】(1)220A 2B L v F R =；(2)222
08ab B L v P R
=；(3)2082mv Q h mg -=
【解析】 【分析】 【详解】
(1)金属棒MN 刚冲上斜面时，速度最大，所受安培力最大。

此时电路中总电阻为
22222R R
R R R R R
⋅=
+=+总
最大安培力
2200
A 2BLv
B L v F BIL B L R R
===总
由楞次定律知，MN 棒受到的安培力方向沿导轨向下。

(2)金属棒MN 刚进入磁场时，MN 棒中的电流
02BLv E I R R
=
=总 则
024ab BLv I I R
=
=，2ab ab ab P I R = 解得
222
08ab B L v P R
=
(3)当金属棒MN 上升到最大高度的过程中，ab 边、cd 边产生的热量相等，即
cd ab Q Q Q ==
ab 边产生的热量
2·2Q I Rt =
金属棒MN 产生的热量
2(2)MN Q I Rt =
得
2MN Q Q =
ab 边、cd 边及MN 棒上产生的总热量
4Q Q =总
由动能定理
2
01402
mgh Q mv --=-
解得
2082mv Q h mg
-=
5．如图所示，两根粗细均匀的金属棒M N 、，用两根等长的、不可伸长的柔软导线将它们连接成闭合回路，并悬挂在光滑绝缘的水平直杆上，并使两金属棒水平。

在M 棒的下方有高为H 、宽度略小于导线间距的有界匀强磁场，磁感应强度为B ，磁场方向垂直纸面向里，此时M 棒在磁场外距上边界高h 处（h <H ，且h 、H 均为未知量），N 棒在磁场内紧贴下边界。

已知：棒M 、N 质量分别为3m 、m ，棒在磁场中的长度均为L ，电阻均为R 。

将M 棒从静止释放后，在它将要进入磁场上边界时，加速度刚好为零；继续运动，在N 棒未离开磁场上边界前已达匀速。

导线质量和电阻均不计，重力加速度为g ： (1)求M 棒将要进入磁场上边界时回路的电功率；
(2)若已知M 棒从静止释放到将要进入磁场的过程中，经历的时间为t ，求该过程中M 棒上产生的焦耳热Q ；
(3)在图2坐标系内，已定性画出从静止释放M 棒，到其离开磁场的过程中“v -t 图像”的部分图线，请你补画出M 棒“从匀速运动结束，到其离开磁场”的图线，并写出两纵坐标a 、b 的值。

【答案】(1)22
22
8Rm g B L ；(2)222222412⎛⎫- ⎪⎝⎭
Rm g mR t B L B L ；(3)，图见解析，224mgR a B L =，
22
mgR
b B L =
【解析】 【分析】 【详解】
（1）由牛顿第二定律得
3mg mg BIL -=
M 棒将要进入磁场上边界时回路的电功率
22
2
22
82Rm g P I R B L
== （2）N 棒产生的感应电动势
2E IR BLv ==
由动量守恒得
(3)4mg mg t BLIt mv --=
通过N 棒的电荷量
2BLh
It q R
==
根据能量守恒得
21
(3)422
mg mg h mv Q -=⨯+
联立得2222
22412Rm g mR Q t B L B L ⎛⎫=- ⎪⎝⎭（或22322
2244
448Rm g m g R Q t B L B L =-） （3）对M 棒受力分析
2232B L v
mg mg R
-=
解得22
4mgR
a B L
= 由
2'
322BLv mg mg BL
R
-= 解得22
mgR
b B L
=
6．如图所示，在倾角为θ的斜面内有两条足够长的不计电阻的平行金属导轨，导轨宽度为L ，导轨上端连有阻值为R 的电阻；在垂直于导轨边界ab 上方轨道空间内有垂直于导轨向上的均匀变化的匀强磁场B 1。

边界ab 下方导轨空间内有垂直于导轨向下的匀强磁场B 2。

电阻也为R 、质量为m 的导体棒MN 垂直于导轨放置，磁场B 1随时间均匀减小，且边界ab 上方轨道平面内磁通量变化率大小为k ，MN 静止且受到导轨的摩擦力为零；撤去磁场B 2，MN 从静止开始在较短的时间t 内做匀加速运动通过的距离为x 。

重力加速度为g 。

(1)求磁场B 2的磁感应强度大小； (2)求导体棒MN 与导轨之间动摩擦因数；
(3)若再撤去B 1，恢复B 2，MN 从静止开始运动，求其运动过程中的最大动能。

【答案】(1)2sin Rmg kL
θ
；(2)22tan cos x gt θθ-；(3)4224442sin k x mR g t θ
【解析】 【分析】 【详解】
(1)当磁场B 1随时间均匀减小，设回路中感应电动势为E ，感应电流为I ，则根据法拉第电磁感应定律
E k t
∆Φ
=
=∆ 根据闭合电路欧姆定律
E
I R R
=
+ MN 静止且受到导轨的摩擦力为零，受力平衡
2sin mg B IL θ=
解得
22sin Rmg B kL
θ
=
(2)撤去磁场B 2，设MN 从静止开始做匀加速运动过程中的加速度为a ，导体棒MN 与导轨之间动摩擦因数为μ，则
212
x at =
根据牛顿第二定律
sin cos mg mg ma θμθ-=
解得
22tan cos x
gt μθθ
=-
(3)若再撤去B 1，恢复B 2，设MN 运动过程中的最大速度为v m ，最大动能为E km ，稳定时
sin cos mg mg F θμθ=+安
导体切割磁感线
2m E B Lv '=
通过回路的感应电流
2E I R
''=
安培力为
222m
22B L v F B I L R
='=
安 最大动能
2km m 12
E mv =
联立方程解得
42
km
24442sin k x E mR g t θ
=
7．如图所示，竖直向上的匀强磁场垂直于水平面内的导轨，磁感应强度大小为B ，质量为M 的导体棒PQ 垂直放在间距为l 的平行导轨上，通过轻绳跨过定滑轮与质量为m 的物块A 连接。

接通电路，导体棒PQ 在安培力作用下从静止开始向左运动，最终以速度v 匀速运动，此过程中通过导体棒PQ 的电量为q ，A 上升的高度为h 。

已知电源的电动势为E ，重力加速度为g 。

不计一切摩擦和导轨电阻，求：
(1)当导体棒PQ 匀速运动时，产生的感应电动势的大小E ’； (2)当导体棒PQ 匀速运动时，棒中电流大小I 及方向； (3)A 上升h 高度的过程中，回路中产生的焦耳热Q 。

【答案】(1) E Blv =；(2) mg I Bl =，方向为P 到Q ；(3)2
1()2
qE mgh m M v --+ 【解析】 【分析】
(1)当导体棒PQ 最终以速度v 匀速运动，产生的感应电动势的大小
E Blv =
(2)当导体棒PQ 匀速运动时，安培力方向向左，对导体棒有
T mg F ==安
又因为
F BIl =安
联立得
mg
I Bl
=
根据左手定则判断I 的方向为P 到Q 。

(3) 根据能量守恒可知，A 上升h 高度的过程中，电源将其它形式的能量转化为电能，再将电能转化为其他形式能量，则有
()21
2
qE Q m M v mgh =+
++ 则回路中的电热为
()21
2
Q qE mgh m M v =--
+
8．在如图甲所示区域(图中直角坐标系Oxy 的一、三象限)内有匀强磁场，磁感应强度方向垂直于纸面向里，大小为B ，半径为l ，圆心角为60°的扇形导线框OPQ 以角速度ω绕O 点在纸面内沿逆时针方向匀速转动，导线框回路电阻为R .
(1)求线框中感应电流的最大值I 0和交变感应电流的频率f ；
(2)在图乙中画出线框在一周的时间内感应电流I 随时间t 变化的图象(规定与图中线框的位置相应的时刻为t =0)
【答案】（1）2012I bl R ω=
，f ω
π
= （2）
【解析】
（1）在从图1中位置开始t =0转过60°的过程中，经△t ，转角△θ=ω△t ，回路的磁通增量为
△Φ＝
1
2
△θ l 2B 由法拉第电磁感应定律，感应电动势为：
ε＝
t
Φ
V V 因匀速转动，这就是最大的感应电动势．由欧姆定律可求得：
I 0＝1 2R
ωBl 2
前半圈和后半圈I （t ）相同，故感应电流周期为：
T ＝ πω
，
频率为：
1f T ＝
ωπ
=． 故感应电流的最大值为
I 0＝1 2R
ωBl 2，
频率为
f ＝
ωπ
． （2）由题可知当线框开始转动
3
π
过程中，有感应电流产生，全部进入时，无感应电流，故当线框全部进入磁场接着再旋转6
π
过程中无电流，然后出磁场时，又有感应电流产生．故图线如图所示：
【点睛】
本题考查了法拉第电磁感应定律的应用，注意公式=
E t
Φ
V V 和E =BLv 的区别以及感应电流
产生条件，并记住旋转切割产生感应电动势的公式E
=
1
2
BωL 2．
9．如图所示，竖直固定的足够长的光滑金属导轨MN 、PQ ，间距L =0.2m ，其电阻不计.完全相同的两根金属棒ab 、cd 垂直导轨放置，每棒两端都与导轨始终良好接触.已知两棒质量均为m =0.01kg ，电阻均为R =0.2Ω，棒cd 放置在水平绝缘平台上，整个装置处在垂直于导轨平面向里的匀强磁场中，磁感应强度B =1.0T.棒ab 在竖直向上的恒力F 作用下由静止开始向上运动，当ab 棒运动位移x =0.1m 时达到最大速度，此时cd 棒对绝缘平台的压力恰好为零，重力加速度g 取10m/s 2.求： (1)恒力F 的大小；
(2)ab 棒由静止到最大速度通过ab 棒的电荷量q ； (3)ab 棒由静止到达到最大速度过程中回路产生的焦耳热Q .
【答案】(1)0.2N(2)0.05C(3)5×10-3J 【解析】 【详解】
(1)当棒ab 达到最大速度时，对ab 和cd 的整体：
20.2N F mg ==
(2) ab 棒由静止到最大速度通过ab 棒的电荷量
q It =
22BLx E t
I R R
== 解得
10.20.1
C 0.05C 220.2
BLx q R ⨯⨯=
==⨯ (3)棒ab 达到最大速度v m 时，对棒cd 有 BIL=mg
由闭合电路欧姆定律知
2E
I R
＝
棒ab 切割磁感线产生的感应电动势
E=BLv m
代入数据解得
v m =1m/s
ab 棒由静止到最大速度过程中，由能量守恒定律得
()21
2
m F mg x mv Q -+＝
代入数据解得
Q =5×10-3J
10．如图，两根相距l =0.4m 的平行金属导轨OC 、O ′C ′水平放置。

两根导轨右端O 、O ′连接着与水平面垂直的光滑平行导轨OD 、O ′D ′，两根与导轨垂直的金属杆M 、N 被放置在导轨上，并且始终与导轨保持保持良好电接触。

M 、N 的质量均为m =0.2kg ，电阻均为R =0.4Ω，N 杆与水平导轨间的动摩擦因数为μ=0.1。

整个空间存在水平向左的匀强磁场，磁感应强度为B =0.5T 。

现给N 杆一水平向左的初速度v 0=3m/s ，同时给M 杆一竖直方向的拉力F ，使M 杆由静止开始向下做加速度为a M =2m/s 2的匀加速运动。

导轨电阻不计，（g 取10m/s 2）。

求：
(1)t =1s 时，N 杆上通过的电流强度大小；
(2)求M 杆下滑过程中，外力F 与时间t 的函数关系；（规定竖直向上为正方向） (3)已知N 杆停止运动时，M 仍在竖直轨道上，求M 杆运动的位移；
(4)在N 杆在水平面上运动直到停止的过程中，已知外力F 做功为﹣11.1J ，求系统产生的总热量。

【答案】（1）0.5A （2）F=1.6﹣0.1t （3）7.84m （4）2.344J 【解析】 【详解】 (1)M 杆的速度：
21m/s 2m/s M v a t ==⨯=
感应电流：
0.50.420.5A A 2220.4
E BLv I R R ⨯⨯=
===⨯ (2)对M 杆，根据牛顿第二定律：
M mg F BIl ma --=
M v a t =
整理得：
2M M Bla t
F mg ma B l R
=--⨯
⨯ 解得：
1.60.1F t =-
(3)对N 杆，由牛顿第二定律得：
()2M N Bla t
mg B l ma R
μ+⨯
⨯= 可得：
222M N B l a t
a g mR
μ=+
解得：
10.05N a t =+
可做N a t -图
可得：
0001(10.05[)]v t t =++
解得：
0 2.8s t =
位移：
22011
2 2.87.84m 2m 2
M s at =
=⨯⨯= (4)对M 杆，则有：
21
02
M F M mgS W W mv ++=
-安 解得：
1.444J I W Q ==安
对N 杆，则有：
22011
0.23J 0.9J 22
f W mv =
=⨯⨯= 总热量：
1.4440.9J
2.344J I f Q Q W =+=+=总
11．如图所示，水平面上有一个高为d 的木块，木块与水平面间的动摩擦因数为μ=0.1．由均匀金属材料制成的边长为2d 、有一定电阻的正方形单匝线框，竖直固定在木块上表面，它们的总质量为m ．在木块右侧有两处相邻的边长均为2d 的正方形区域，正方形底边离水平面高度为2d ．两区域各有一水平方向的匀强磁场穿过，其中一个方向垂直于纸面向里，另一个方向垂直于纸面向外，区域Ⅱ中的磁感应强度为区域Ⅰ中的3倍．木块在水平外力作用下匀速通过这两个磁场区域．已知当线框右边MN 刚进入Ⅰ区时，外力大小恰好为0320
F g m =
，此时M 点电势高于N 点，M 、N 两点电势差U MN =U ．试求：
（1）区域Ⅰ中磁感应强度的方向怎样？
（2）线框右边MN 在Ⅰ区运动过程中通过线框任一横截面的电量q ． （3）MN 刚到达Ⅱ区正中间时，拉力的大小F ． （4）MN 在Ⅱ区运动过程中拉力做的功W ．
【答案】（1）向外 （2）340mgd q U = （3）
4750mg （4）47
25
mgd 【解析】 【详解】
（1）因为线框从左向右匀速通过这两个磁场区域，所以拉力方向向右，安培力方向向左。

因为M 点电势高于N 点，由右手定制可判断区域Ⅰ中磁感应强度的方向向外。

（2）设线框的总电阻为R ，磁场Ⅰ区的磁感强度为B ，线框右边MN 在Ⅰ区运动过程中有一半长度切割磁感线产生感应电动势，有
Bdv I R
R
ε
=
=
，33
44U I R Bdv =⋅=
线框右边MN 在Ⅰ区运动过程中，木块与线框受力平衡，有
0A F F mg μ--=
解得
31
0.12020
A F BId mg mg mg ==
-= 通过线框任一横截面的电量q 为q It =，其中2d
t v
= 联立以上各式，解得
340mgd
q U
=
（3）MN 刚到达Ⅱ区正中间时，流过线框的电流为
34'4Bdv Bdv Bdv
I I R R
+=
=
= 线框左、右两条边均受到向左的安培力作用，总的安培力大小为
4
''3'165
A A F BI d BI d F mg =+==
由于线框上边各有一半处在磁场Ⅰ区、Ⅱ区中，所以分别受到向上与向下的安培力作用，此时木块受到的支持力N 为
7
3''85
A N mg BI d BI d mg F mg =+-=+=
木块与线框组成的系统受力平衡，因此拉力F 为
4747
'55050
A F F N mg mg mg μ=+=+=
（4）随着MN 在磁场Ⅱ区的运动，木块受到的支持力N x 随发生的位移x 而变化，有
3''(2)2'4'x N mg BI x BI d x mg BI d BI x =+--=-+
由于N x 随位移x 线性变化，因此MN 在Ⅱ区运动过程中木块受到的平均支持力为
4'27
2'2'25
BI d N mg BI d mg BI d mg ⋅=-+
=+= 此过程中拉力做的功W 为
4747
'222255025
A W F d N d mg d mg d mgd μ=⋅+⋅=⋅+⋅=
12．如图所示，间距为
L 、电阻不计的足够长双斜面型平行导轨，左导轨光滑，右导轨粗糙，
左、右导轨分别与水平面成α、β角，分别有垂直于导轨斜面向上的磁感应强度为 B1、B2 的匀强磁场，两处的磁场互不影响．质量为 m 、电阻均为 r 的导体棒 ab 、cd 与两平行导轨垂直放置且接触良 好．ab 棒由静止释放，cd 棒始终静止不动．求： （1）ab 棒速度大小为 v 时通过 cd 棒的电流大小和 cd 棒受到的摩擦力大小． （2）ab 棒匀速运动时速度大小及此时 cd 棒消耗的电功率．
【答案】（1）12B Lv r ；2122B B L v
r
－mgsin β（2）222221sin m g r B L α
【解析】 【分析】 【详解】
（1）当导体棒ab 的速度为v 时，其切割磁感线产生的感应电动势大小为：E ＝B 1Lv①
导体棒ab 、cd 串联，由全电路欧姆定律有：2E I r
=
② 联立①②式解得流过导体棒cd 的电流大小为：12B Lv
I r
=③
导体棒cd 所受安培力为：F 2＝B 2IL④ 若mgsin β ＞F 2，则摩擦力大小为：
21212sin ?sin 2B B L v
f m
g F mg r
ββ=-=-
⑤ 若mgsin β ≤F 2，则摩擦力大小为：
21222sin sin 2B B L v
f F m
g mg r
ββ=-=-⑥
（2）设导体棒ab 匀速运动时速度为v 0，此时导体棒ab 产生的感应电动势为：E 0＝B 1Lv 0⑦
流过导体棒ab 的电流大小为：0
02E I r
=
⑧ 导体棒ab 所受安培力为：F 1＝B 1I 0L⑨
导体棒ab 匀速运动，满足：mgsin α－F 1＝0⑩ 联立⑦⑧⑨⑩式解得：022
12sin mgr v B L α
=
此时cd 棒消耗的电功率为：22220
22
1sin m g r P I R B L α
==
【点睛】
本题是电磁感应与力学知识的综合应用，在分析中要注意物体运动状态（加速、匀速或平衡），认真分析物体的受力情况，灵活选取物理规律，由平衡条件分析和求解cd 杆的受力情况．
13．如图所示，两根间距为L 的光滑金属导轨CMM ′P ′P 、DNN ′Q ′Q 固定放置，导轨MN 左侧部分向上弯曲，右侧水平。

在导轨水平部分的左右两端分布着两个匀强磁场区域MM ′N ′N 、P ′PQQ ′，区域长度均为d ，磁感应强度大小均为B ，Ⅰ区方向竖直向上，Ⅱ区方向竖直向下，金属棒b 静止在区域Ⅱ的中央，b 棒所在的轨道贴一较小的粘性纸片（其余部分没有），它对b 棒的粘滞力为b 棒重力的k 倍，现将a 棒从高度为h 0处静止释放，a 棒刚一进入区域Ⅰ时b 棒恰好可以开始运动，已知a 棒质量为m ，b 棒质量为2m ，a 、b 棒均与导轨垂直，电阻均为R ，导轨电阻不计，重力加速度为g ，则 (1)h 0应为多少？
(2)将a 棒从高度小于h 0的某处静止释放，使其以速度v 1（v 1为已知量）进入区域Ⅰ，且能够与b 棒发生碰撞。

求从开始释放a 棒到a 、b 两棒刚要发生碰撞的过程中，a 棒产生的焦耳热。

(3)调整两磁场区域间的距离使其足够远（区域大小不变），将a 棒从高度大于h 0的某处静
止释放，使其以速度v 2（v 2为已知量）进入区域Ⅰ，经时间t 0后从区域Ⅰ穿出，穿出时的
速度为
1
2
v 2，请在同一直角坐标系中画出“从a 棒进入磁场开始，到a 、b 两棒相碰前”的过程中，两棒的速度—时间图象（必须标出t 0时刻b 棒的速度，规定向右为正方向）。

【答案】（1）22244
8R k m g
B L
（2）222213388B L d B L d v R mR ⎛⎫- ⎪⎝⎭（3）
【解析】 【详解】
(1)设a 棒刚进入区域Ⅰ时的速度为0v ，由机械能守恒得：
2001
2
mgh mv =
由b 棒恰好开始运动时受力平衡得
220
22B L v mgk BLI R
==
解得：
222044
8R k m g
h B L
= (2)设a 棒穿出区域Ⅰ时的速度为1v '，与b 棒相碰前的速度为v ，则有：
11111mv mv BL t BLq I -='= 1222mv mv BLI t BLq ='-=
12q BLd
R = 24q BLd
R
=
联立可得：
22134B L d
mv mv R
-=
a 棒产生的焦耳热：
2211
2(1)4
a Q Q m v v -==
可得：
2222133()88a B L d B L d v R
Q R =-
(3)①判断0t 时刻b 棒能否穿出区域Ⅱ，假定b 不能穿出区域Ⅱ，并设0t 时的速度大小为
b v ，00t :阶段a 、b 棒受到的冲量相等，有：
221
()22
b m v v mv -=
解得：
214
b v v =
因22
21
a b v v v >
=，故有： 12b a v v < 12
b x d <
所以假设成立，即在a 棒穿出Ⅰ区时b 棒尚在Ⅱ区； ②判断0t 后，b 棒能否穿出区域Ⅱ，假定b 棒不能穿出区域Ⅱ 因10222b BLI t mv BLI t ==，则有：
1022I t I t =
即：
12q q =
所以：
22(2)a b b BL v v t v t R
R
-=
设在0t 前后b 棒在区域Ⅱ中走过的距离分别为1x 、2x ，则有：
10b x v t = 220()b a b x v t v v t =-=
解得：
12000(12
)b a b a x x v t v v t v t d d ==+=+->
所以假设不成立，即b 棒能穿出区域Ⅱ且速度不为零； 两棒的速度-时间图象如图所示：
14．如图，光滑的平行金属导轨水平放置，导轨间距为L ，左侧接一阻值为R 的电阻，导轨其余部分电阻不计。

矩形区域abfe 内存在垂直轨道平面向下的有界匀强磁场，磁感应强度大小为B ，一质量为m 的金属棒MN 置于导轨上，连人电路部分的电阻为r ，与导轨垂直且接触良好。

金属棒受到一个水平拉力作用，从磁场的左边界由静止开始作匀加速直线运动，加速度大小为a 。

棒运动到cd 处撤去外力，棒继续运动到磁场右边界ef 处恰好静止。

已知ac=bd=x 1，求:
(1)金属棒在区域abdc 内切割磁感线时产生的感应电动势E 随位移x (相对b 点)的表达式;
(2)撤去外力后继续运动到ef 的位移x 2;
(3)金属棒整个运动过程中电阻R .上的最大热功率。

【答案】（1）()120E BL ax x x =剟 （2）12()2m R r ax x += （3）22
122()
ax B L P R R r =+ 【解析】
【详解】
(1)金属棒产生的感应电动势
E BLv =
金属棒由静止开始作匀加速直线运动，则有
22v ax =
联立得
()120E BL ax
x x =剟
(2)当位移为x 1时，有 112v ax =回路总电阻
R R r =+总
根据动量定理得
10BIL t mv -∆=-
通过金属棒的电荷量q I t =∆，
又有
2BLx q R r R r φ∆=
=++ 解得 12()2m R r ax x += (3)金属棒运动到cd 时电动势最大
12E BL ax =
热功率
2P I R =
回路电流
E I R r
=
+ 电阻R 的最大热功率 22
122()
ax B L P R R r =+ 答案：（1）()120E BL ax x x =剟 （2）12()2m R r ax x += （3）22
122()
ax B L P R R r =+
15．如图所示，宽度为L 的金属框架竖直固定在绝缘地面上，框架的上端接有一特殊的电子元件，如果将其作用等效成一个电阻，则其阻值与其两端所加的电压成正比，即等效电阻R kU =，式中k 为恒量．框架上有一质量为m 的金属棒水平放置，金属棒与光滑框架接触良好，离地高度为h ，磁感应强度为B 的匀强磁场与框架平面垂直．将金属棒由静止释放，棒沿框架向下运动．其它电阻不计，问：
（1）金属棒运动过程中，流过棒的电流多大？方向如何？
（2）金属棒经过多长时间落到地面？
（3）金属棒从释放到落地过程中在电子元件上消耗的电能多大？
【答案】（1）
1k ；方向由a 流向b （2(3)hBL k 【解析】
【分析】
【详解】
（1）金属棒向下运动，利用右手定则可得，流过金属棒的电流方法为：由a 流向b ． 根据题意，流过金属棒的电流：
1U U I R kU k
=== （2）金属棒下落过程中金属棒受到的安培力为： BL F BIL k ==
根据牛顿第二定律mg F ma -=得
BL a g km
=- 故加速度恒定，金属棒做匀加速直线运动．
设金属经过时间t 落地，则满足：
212h at =
解得：
t ==(3)金属棒落地时速度满足：
v = 根据功能关系，消耗电能为E ，有
212
G W E mv -= 得金属棒从释放到落地过程中在电子元件上消耗的电能：
212hBL E mgh mv k
=-= 【点睛】。