法拉第电磁感应定律压轴题提高题专题含答案

法拉第电磁感应定律压轴题提高题专题含答案
一、高中物理解题方法：法拉第电磁感应定律
1．如图(a )所示，一个电阻值为R 、匝数为n 的圆形金属线圈与阻值为2R 的电阻R 1连接成闭合回路，线圈的半径为r 1, 在线圈中半径为r 2的圆形区域存在垂直于线圈平面向里的匀强磁场，磁感应强度B 随时间t 变化的关系图线如图(b )所示，图线与横、纵轴的截距分别为t 0和B 0，导线的电阻不计．求
(1) 0~t 0时间内圆形金属线圈产生的感应电动势的大小E ； (2) 0~t 1时间内通过电阻R 1的电荷量q ．
【答案】（1）2020n B r E t π=（2）2
0120
3n B t r q Rt π=
【解析】 【详解】
（1）由法拉第电磁感应定律E n t φ
∆=∆有2020
n B r B E n S t t π∆==∆ ①
（2）由题意可知总电阻 R 总=R +2R =3 R ② 由闭合电路的欧姆定律有电阻R 1中的电流E
I R =
总
③ 0~t 1时间内通过电阻R1的电荷量1q It = ④
由①②③④式得2
01203n B t r q Rt π=
2．如图所示，水平面内有一平行金属导轨，导轨光滑且电阻不计。

匀强磁场与导轨平面垂直。

阻值为R 的导体棒垂直于导轨静止放置，且与导轨接触。

t ＝0时，将开关S 由1掷到2。

用q 、i 、v 和a 分别表示电容器所带的电荷量、棒中的电流、棒的速度和加速度。

请定性画出以上各物理量随时间变化的图象（q-t 、i-t 、v-t 、a-t 图象）。

【答案】图见解析. 【解析】 【详解】
开关S由1掷到2，电容器放电后会在电路中产生电流。

导体棒通有电流后会受到安培力的作用，会产生加速度而加速运动。

导体棒切割磁感线，速度增大，感应电动势E=Blv，即增大，则实际电流减小，安培力F=BIL，即减小，加速度a=F/m，即减小。

因导轨光滑，所以在有电流通过棒的过程中，棒是一直加速运动（变加速）。

由于通过棒的电流是按指数递减的，那么棒受到的安培力也是按指数递减的，由牛顿第二定律知，它的加速度是按指数递减的，故a-t图像如图：
由于电容器放电产生电流使得导体棒受安培力运动，而导体棒运动产生感应电动势会给电容器充电。

当充电和放电达到一种平衡时，导体棒做匀速运动。

则v-t图像如图：
；
当棒匀速运动后，棒因切割磁感线有电动势，所以电容器两端的电压能稳定在某个不为0的数值，即电容器的电量应稳定在某个不为0的数值（不会减少到0），故q-t图像如图：
这时电容器的电压等于棒的电动势数值，棒中无电流。

I-t图像如图：
3．如图甲所示，光滑且足够长的平行金属导轨MN和PQ固定在同一水平面上，两导轨间距L=0.2m，电阻R=0.4Ω，导轨上停放一质量m=0.1kg、电阻r=0.1Ω的金属杆，导轨电阻忽略不计，整个装置处在磁感应强度B=0.5T的匀强磁场中，磁场的方向竖直向下，现用一外力F沿水平方向拉杆，使之由静止开始运动，若理想电压表示数U随时间t变化关系如图乙所示。

求：
(1)金属杆在5s 末的运动速率 (2)第4s 末时外力F 的功率
【答案】(1) 2.5m/s v = (2) 0.18W P = 【解析】(1)由题意，电压表的示数为R
U BLv R r
=⋅+ 5s 末电压表的示数0.2V U = ， 所以代入数据可得 2.5m/s v = (2)由R
U BLv R r
=
⋅+及U -t 图像可知,U 随时间均匀变化,导体棒在力F 作用下匀加速运动 ()1R r v U a t R BL t
+∆∆=
=⋅⋅∆∆ 代入数据可得2
0.5m/s a = 在4s 末，金属杆的切割速度为()1
2m/s R r v U R
BL
⋅'='+=
⋅
此时拉力F 为22B L v F ma R r
-
=+'
所以4s 末拉力F 的功率为0.18W P Fv =='
【点睛】本题是电磁感应与电路、力学知识的综合，由电路的串联关系先求出电动势，再求出速度；由加速度的定义，求出加速度；根据瞬时功率的表达式，求出第5秒末外力F 的功率．
4．如图甲所示，水平放置的电阻不计的光滑平行金属导轨相距L=0.5m ，左端连接R=0.4Ω的电阻，右端紧靠在绝缘墙壁边，导轨间虚线右边与墙壁之间的区域内存在方向垂直导轨平面的磁场，虚线与墙壁间的距离为s=10m ，磁感应强度B 随时间t 变化的图象如图乙所示。

一电阻r=0.1Ω、质量为m=0.5kg 的金属棒ab 垂直导轨放置于距离磁场左边界d= 2.5m 处，在t=0时刻金属棒受水平向右的大小F=2.5N 的恒力作用由静止开始运动，棒与导轨始终接触良好，棒滑至墙壁边后就保持静止不动。

求：
(1)棒进入磁场时受到的安培力F ； (2) 在0～4s 时间内通过电阻R 的电荷量q ； (3)在0～5s 时间内金属棒ab 产生的焦耳热Q 。

【答案】(1) =2.5F N 安 (2) 10q c = （3）15Q J = 【解析】(1)棒进入磁场之前对ab 受力分析由牛顿第二定律得25m/s F
a m
== 由匀变速直线位移与时间关系2112
d at = 则11s t =
由匀变速直线运动速度与时间关系得15m/s v at ==
金属棒受到的安培力22= 2.5N B L v
F BIL R
==安 (2)由上知，棒进人磁场时=F F 安,则金属棒作匀速运动，匀速运动时间22s s
t v
== 3～4s 棒在绝缘墙壁处静止不动
则在0～4s 时间内通过电阻R 的电量2210C +BLv
q It t R r
==
= (3)由上知在金属棒在匀强磁场中匀速运动过程中产生的2125J Q I rt ==
4～5s 由楞次定律得感应电流方向为顺时针，由左手定则知金属棒受到的安培力水平向右，则金属棒仍在绝缘墙壁处静止不动， 由法拉第电磁感应定律得5V BLs
E t t
ϕ∆∆=
==∆∆ 焦耳热2
2
23310J E Q I rt rt R r ⎛⎫
=== ⎪+⎭
'⎝
在0～5s 时间内金属棒ab 产生的焦耳热1215J Q Q Q =+=
【点睛】本题根据牛顿第二定律和运动学公式结合分析棒的运动情况，关键是求解安培力．当棒静止后磁场均匀变化，回路中产生恒定电流，由焦耳定律求解热量．
5．如图所示，平等光滑金属导轨AA1和CC1与水平地面之间的夹角均为θ，两导轨间距为L ，A 、C 两点间连接有阻值为R 的电阻，一根质量为m 、电阻也为R 的直导体棒EF 跨在导轨上，两端与导轨接触良好。

在边界ab 和cd 之间（ab 与cd 与导轨垂直）存在垂直导轨
平面的匀强磁场，磁场的磁感应强度为B，现将导体棒EF从图示位置由静止释放，EF进入磁场就开始匀速运动，棒穿过磁场过程中棒中产生的热量为Q。

整个运动的过程中，导体棒EF与导轨始终垂直且接触良好，其余电阻不计，取重力加速度为g。

（1）棒释放位置与ab间的距离x；
（2）求磁场区域的宽度s；
（3）导体棒穿过磁场区域过程中流过导体横截面的电量。

【答案】（1）（2）（3）
【解析】(1)导体棒EF从图示位置由静止释放，根据牛顿第二定律
EF进入磁场就开始匀速运动，由受力平衡：
由闭合电路欧姆定律：
导体棒切割磁感线产生电动势：E=BLv
匀加速阶段由运动学公式v2=2ax
联立以上各式可解得棒释放位置与ab间的距离为：
(2)EF进入磁场就开始匀速运动，由能量守恒定律：
A，C两点间电阻R与EF串联，电阻大小相等，则
连立以上两式可解得磁场区域的宽度为:
(3) EF在磁场匀速运动：s=vt
由电流定义流过导体棒横截面的电量q=It
联立解得：
【点睛】此题综合程度较高，由运动分析受力，根据受力情况列方程，两个运动过程要结合分析；在匀速阶段要明确能量转化关系，电量计算往往从电流定义分析求解．
6．如图所示，两根足够长的直金属MN、PQ平行放置在倾角为 的绝缘斜面上，两导轨间距为L．M、P两点间接有阻值为R的电阻．一根质量为m的均匀直金属杆ab放在两导轨上，并与导轨垂直．整套装置处于磁感应强度为B的匀强磁场中，磁场方向垂直斜面向下．导轨和金属杆的电阻可忽略．让ab杆沿导轨由静止开始下滑，导轨和金属杆接触良
好，不计它们之间的摩擦．
（1）在加速下滑过程中，当ab 杆的速度大小为v 时，ab 杆中的电流及其加速度的大小； （2）求在下滑过程中ab 杆可达到的最大速度．
（3）从开始下滑到达到最大速度的过程中，棒沿导轨下滑了距离s ，求整个装置生热多少. 【答案】
（1）Blv I R =,22sin B l v mg R a m
θ-
=（2）22sin m mgR v B l θ=（3）322244sin 2m g R Q mgh B l
θ=- 【解析】
(1)在加速下滑过程中，当 ab 杆的速度大小为 v 时，感应电动势E =BLv
此时 ab 杆中的电流Blv
I R
=
金属杆受到的安培力：22B L v
F BIL R
==
由牛顿第二定律得：22sin B l v
mg R a m
θ-
=
(2) 金属杆匀速下滑时速度达到最大，由平衡条件得：22sin m
B L v mg R
θ=
则速度的最大值22
sin m mgR v B l θ
=
(3)若达到最大速度时，导体棒下落高度为 h ，由能量守恒定律得：
2
1sin 2
m mgs mv Q θ⋅=
+ 则焦耳热322244
sin 2m g R Q mgh B l
θ
=- 【点睛】当杆匀速运动时杆的速度最大，分析清楚杆的运动过程是解题的前提；分析清楚杆的运动过程后，应用E =BLv 、欧姆定律、安培力公式、牛顿第二定律、平衡条件与能量守恒定律即可解题；求解热量时从能量角度分析可以简化解题过程．
7．如图所示，导体棒ab 质量m 1=0.1kg ，，电阻10.3R =Ω，长度L=0.4m ，横放在U 型金属框架上。

框架质量m 2=0.2kg ，，放在绝缘水平面上，与水平面间的动摩擦因数为0.2，
MM'、NN'相互平行，相距0.4m ，电阻不计且足够长。

连接两导轨的金属杆MN 电阻
20.1R =Ω。

整个装置处于竖直向上的匀强磁场中，磁感应强度B=0.5T 。

垂直于ab 施加
F=2N 的水平恒力，ab 从静止开始无摩擦地运动，始终与MM'、NN'保持良好接触。

当ab 运动到某处时，框架开始运动。

设框架与水平面间最大静摩擦力等于滑动摩擦力，
210/g m s =。

（1）求框架开始运动时ab 速度的大小；
（2）从ab 开始运动到框架开始运动的过程中，MN 上产生的热量量0.1Q J =，求该过程ab 位移x 的大小；
（3）从ab 开始运动到框架开始运动，共经历多少时间。

【答案】（1）6/m s （2）1.1m （3）0.355s
【解析】（1）由题意，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，则框架受到最大静摩擦力为：
12)N f F m m g μμ==+（
ab 中的感应电动势为： E Blv =，MN 中电流为： 12
E
I R R =
+
MN 受到的安培力为： F IlB =安，框架开始运动时，有： F f =安 由上述各式代入数据，解得： 6/v m s =；
（2）导体棒ab 与MN 中感应电流时刻相等，由焦耳定律2
Q I Rt =得知， Q R ∝ 则闭合回路中产生的总热量： 12
2
R R Q Q R +=总 由能量守恒定律，得： 211
2
Fx m v Q =+总 代入数据解得： 1.1x m =
（3）ab 加速过程中，有： 22112B l v
F m a R R -=+
取极短时间间隔t ∆， 22112B l v
F t t m a t R R ∆-∆=∆+
即： 22
112
B l F t x m v R R ∆-∆=∆+
对整过程求和可得： 22
1120
B l Ft x m v R R -=-+（） 解得： ()22
112m v B l t x F R R F
=++
代入数据解得： 0.355t s =
点睛：ab 向右做切割磁感线运动，产生感应电流，电流流过MN ，MN 受到向右的安培力，当安培力等于最大静摩擦力时，框架开始运动，根据安培力、欧姆定律和平衡条件等知识，求出速度，依据能量守恒求解位移，对加速过程由动量定理列式，可得出合外力的冲量与动量变化之间的关系；本题是电磁感应中的力学问题，考查电磁感应、焦耳定律、能量守恒定律定律等知识综合应用和分析能力，要注意正确选择物理规律列式求解。

8．如图甲所示，光滑且足够长的平行金属导轨MN 、PQ 固定在同一水平面上，两导轨间距030m .L =．导轨电阻忽略不计，其间连接有固定电阻0.40R =Ω．导轨上停放一质量0.10kg m =、电阻020Ω.r =的金属杆ab ，整个装置处于磁感应强度0.50T B =的匀强磁场中，磁场方向竖直向下．用一外力F 沿水平方向拉金属杆ab ，使之由静止开始做匀加速运动，电压传感器可将R 两端的电压U 即时采集并输入电脑，获得电压U 随时间t 变化的关系如图乙所示．
（1）计算加速度的大小； （2）求第2s 末外力F 的瞬时功率；
（3）如果水平外力从静止开始拉动杆2s 所做的功035J .W =，求金属杆上产生的焦耳热．
【答案】（1）21m/s （2）0.35W （3）25.010J -⨯ 【解析】 【详解】
（1）根据,,R R
E Blv v at U E R r
===+ 结合图乙所示数据，解得：a =1m/s 2．
（2）由图象可知在2s 末，电阻R 两端电压为0.2V 通过金属杆的电流R
U I R
=
金属杆受安培力F BIL =安
设2s 末外力大小为F 2，由牛顿第二定律，2安F F ma -= ， 故2s 末时F 的瞬时功率22035W .P F v ==
（3）设回路产生的焦耳热为Q ，由能量守恒定律，2
2
12
W Q mv =+ 电阻R 与金属杆的电阻r 串联，产生焦耳热与电阻成正比 金属杆上产生的焦耳热r Qr
Q R r
=
+ 解得：2r 5010J .Q -=⨯ ．
9．两根足够长的平行光滑金属导轨MN 、PQ 相距为d ，导轨平面与水平面的夹角θ=30°，导轨电阻不计．磁感应强度为B 的匀强磁场垂直于导轨平面向上，长为d 的金属棒ab 垂直于MN 、PQ 放置于导轨上，且始终与导轨接触良好，金属棒的质量为m 、电阻为R ．两金属导轨的上端连接一个阻值也为R 的定值电阻，重力加速度为g ．现闭合开关S ，给金属棒施加一个方向垂直于棒且平行于导轨平面向上、大小为mg 的恒力F ，使金属棒由静止开始运动．求：
（1）金属棒能达到的最大速度v m ； （2）金属棒达到最大速度一半时的加速度；
（3）若金属棒上滑距离为L 时速度恰达到最大，则金属棒由静止开始上滑4L 的过程中，金属棒上产生的电热Q 0．
【答案】(1) 22mgR B d ；(2)14g ；(3) 322
44
4m g R mgL B d
- 【解析】 【详解】
(1)设最大速度为m v ，此时加速度为0，平行斜面方向有：F mgsin BId θ=+ 据题知：2E
I R
=
m E Bdv =
已知F mg =，联解得：22
m mgR
v B d = (2)当金属棒的速度2m v v =
时，则：2
I I '= 由牛顿第二定律有：sin F BdI mg ma θ'--= 解得：1
4
a g =
(3)设整个电路放出的热量为Q ，由能量守恒定律有：2
14sin 42
m F L Q mg L mv θ⋅=+⋅+ 又：r R =，02
Q
Q =
所以金属棒上产生的电热：322
044
4m g R Q mgL B d
=-
10．如图甲所示，两竖直放置的平行金属导轨，导轨间距L =0.50m ，导轨下端接一电阻R =5Ω的小灯泡，导轨间存在一宽h =0.40m 的匀强磁场区域，磁感应强度B 按图乙所示规律变化，t =0时刻一金属杆自磁场区域上方以某一初速度沿导轨下落，t 1时刻金属杆恰好进入磁场，直至穿越磁场区域，整改过程中小灯泡的亮度始终保持不变．已知金属杆的质量m =0.10kg ，金属杆下落过程中始终保持水平且与导轨良好接触，不计金属杆及导轨的电阻，g 取10m/s 2．求：
（1）金属杆进入磁场时的速度v ； （2）图乙中t 1的数值；
（3）整个过程中小灯泡产生的总焦耳热Q ．
【答案】（1）5m/s （2）0.04s （3）0.6J 【解析】
解：（1）金属杆进入磁场时受力平衡mg BIL =
E I R
=
E BLv =
整理得22
5m /s mgR
v B L =
= （2）根据法拉第电磁感应定律1
B
E Lh t ∆=
⋅ 0
1
B B BLv Lh t -=
⋅ ()0100.04s
B B h t B v
-=
=
（3）整个过程中小灯泡产生的总焦耳热()212E Q t t R
=+ 20.08s h t v
== 解得：0.6J Q =。