高考物理法拉第电磁感应定律压轴难题二轮复习及答案解析

高考物理法拉第电磁感应定律压轴难题二轮复习及答案解析
一、高中物理解题方法：法拉第电磁感应定律
1．如图，匝数为N 、电阻为r 、面积为S 的圆形线圈P 放置于匀强磁场中，磁场方向与线圈平面垂直，线圈P 通过导线与阻值为R 的电阻和两平行金属板相连，两金属板之间的距离为d ，两板间有垂直纸面的恒定匀强磁场。

当线圈P 所在位置的磁场均匀变化时，一质量为m 、带电量为q 的油滴在两金属板之间的竖直平面内做圆周运动。

重力加速度为g ，求：
(1)匀强电场的电场强度 (2)流过电阻R 的电流
(3)线圈P 所在磁场磁感应强度的变化率 【答案】(1)mg q (2)mgd
qR
(3)()B mgd R r t NQRS ∆+=∆ 【解析】 【详解】 (1)由题意得：
qE =mg
解得
mg q
E =
(2)由电场强度与电势差的关系得：
U
E d
=
由欧姆定律得：
U I R
=
解得
mgd
I qR
=
(3)根据法拉第电磁感应定律得到：
E N
t
∆Φ
=∆ B
S t t
∆Φ∆=∆∆
根据闭合回路的欧姆定律得到：()E I R r =+ 解得：
()
B mgd R r t NqRS
∆+=∆
2．现代人喜欢到健身房骑车锻炼，某同学根据所学知识设计了一个发电测速装置，如图所示。

自行车后轮置于垂直车身平面向里的匀强磁场中，后轮圆形金属盘在磁场中转动时，可等效成一导体棒绕圆盘中心O 转动。

已知磁感应强度B=0．5T ，圆盘半径l=0．3m ，圆盘电阻不计。

导线通过电刷分别与后轮外边缘和圆心O 相连，导线两端a 、b 间接一阻值R=10Ω的小灯泡。

后轮匀速转动时，用电压表测得a 、b 间电压U=0．6V 。

（1）与a 连接的是电压表的正接线柱还是负接线柱？ （2）圆盘匀速转动10分钟，则此过程中产生了多少电能？ （3）自行车车轮边缘线速度是多少？
【答案】（1）a 点接电压表的负接线柱；（2）21.6Q J = (3)8/v m s = 【解析】
试题分析：（1）根据右手定则，轮子边缘点是等效电源的负极，则a 点接电压表的负接线柱；
（2）根据焦耳定律2
U Q t R
= 代入数据得Q=21．6J
（3）由212
U Bl ω=
得v=lω=8m/s
考点：右手定则；焦耳定律；法拉第电磁感应定律
【名师点睛】本题关键是明确电压的测量原理，然后结合法拉第电磁感应定律、线速度与角速度的关系、机械能的概念列式求解，不难。

3．两平行金属导轨位于同一水平面上，相距l , 左端与一电阻R 相连；整个系统置于匀强磁场中，磁感应强度大小为B ，方向竖直向下。

一质量为m 的导体棒置于导轨上，在水平外力作用下沿导轨以速率v 匀速向右滑动，滑动过程中始终保持与导轨垂直并接触良好。

已知导体棒与导轨间的动摩擦因数为μ，重力加速度大小为g ，导轨和导体棒的电阻均可忽略。

求
(1)导体棒产生的电动势和通过R 的电流； (2)电阻R 消耗的功率； (3)水平外力的大小。

【答案】(1)E =Blv , I =Blv /R (2)P =B 2l 2v 2/R (3)F =B 2l 2v/R + μmg 【解析】(1)根据法拉第电磁感应定律有：E =Blv ① 则导体棒中的电流大小为： E I R
= 则可得Blv
I R
=
② (2)电阻R 消耗的功率：P =I 2R ③
联立②③可解得： 222
B l v P R
= ④
(2)由于导体棒ab 匀速运动，故向右的水平外力F 等于向左的安培力F 安和摩擦力的和， 则水平外力：F =μmg +F 安 ⑤ 安培力： ==BLv
F BIL B L R
⋅
安 ⑥ 则拉力为： 22B L v
F mg R
μ=+ ⑦
【点睛】本题是电磁感应与电路、力学知识的综合，安培力是联系力与电磁感应的桥梁，安培力经验公式 是常用的式子．
4．如图所示，固定于水平桌面上足够长的两平行导轨PO 、MN ，PQ 、MN 的电阻不计，间距为d =0.5m.P 、M 两端接有一只理想电压表，整个装置处于竖直向下的磁感应强度B =0.2T 的匀强磁场中.电阻均为r =0.1Ω，质量分别为m 1=300g 和m 2=500g 的两金属棒L 1、L 2平行的搁在光滑导轨上，现固定棒L 1，L 2在水平恒力F =0.8N 的作用下，由静止开始做加速运动，试求:
(1)当电压表的读数为U =0.2V 时，棒L 2的加速度多大？ (2)棒L 2能达到的最大速度v m .
(3)若在棒L 2达到最大速度v m 时撤去外力F ，并同时释放棒L 1，求棒L 2达到稳定时的速度值.
(4)若固定棒L 1，当棒L 2的速度为v ，且离开棒L 1距离为S 的同时，撤去恒力F ，为保持棒
L 2做匀速运动，可以采用将B 从原值(B 0=0.2T)逐渐减小的方法，则磁感应强度B 应怎样随
时间变化(写出B 与时间t 的关系式)？
【答案】(1) 21.2/m s ；(2) 16/m s ；(3) 0t B S
B S vt
=+ 【解析】解:(1)∵L 1与L 2串联 ∴流过L 2的电流为I 2U
A r
=
= ① L 2所受安培力为:F ′=BdI=0.2N ② ∴ 22
1.2/F F a m s m -=
='
③ (2)当L 2所受安培力F 安=F 时，棒有最大速度v m ，此时电路中电流为I m . 则：F 安=BdI m ④
2m
m Bdv I r
=
⑤ F 安=F ⑥
由④⑤⑥得： 22
216/m Fr
v m s B d
=
= ⑦ (3)撤去F 后，棒L 2做减速运动，L 1做加速运动，当两棒达到共同速度v 共时，L 2有稳定速度，对此过程有：
()212m m v m m v =+共 ⑧ ∴212
10/m
m v v m s m m =
=+共 ⑨
(4)要使L 2保持匀速运动，回路中磁通量必须保持不变，设撤去恒力F 时磁感应强度为B 0，t 时刻磁感应强度为B t ，则： B 0dS =B t d （S +vt ） ⑩ ∴01B S
B S vt
=
+
5．如图甲所示，光滑的平行金属导轨水平放置，导轨间距L =1 m ，左侧接一阻值为R =0.5 Ω的电阻．在MN 与PQ 之间存在垂直轨道平面的有界匀强磁场，磁场宽度d =1 m ．一质量m =1 kg 的金属棒a b 置于导轨上，与导轨垂直且接触良好，不计导轨和金属棒的电阻．金属棒ab 受水平力F 的作用从磁场的左边界MN 由静止开始运动，其中，F 与x （x 为金属棒距MN 的距离）的关系如图乙所示．通过电压传感器测得电阻R 两端电压随时间均匀增大．则：
（1）金属棒刚开始运动时的加速度为多少？ （2）磁感应强度B 的大小为多少？
（3）若某时刻撤去外力F 后金属棒的速度v 随位移s 的变化规律满足v =v 0﹣
22
B L mR
s （v 0为撤去外力时的速度，s 为撤去外力F 后的位移），且棒运动到PQ 处时恰好静止，则金属棒从MN 运动到PQ 的整个过程中通过左侧电阻R 的电荷量为多少？外力F 作用的时间为多少？
【答案】（1）a=0.4m/s 2；（2）B=0.5T ；（3）t=1s 【解析】 【详解】
解：(1)金属棒开始运动时，0x =，0v =，金属棒不受安培力作用 金属棒所受合力为：0.4N F = 由牛顿第二定律得：20.4m/s F
a m
=
= (2)由题意可知，电阻R 两端电压随时间均匀增大，即金属棒切割磁感线产生的感应电动势随时间均匀增大，由E BLv =可知，金属棒的速度v 随时间t 均匀增大，则金属棒做初速度为零的匀加速运动．加速度：20.4m/s a = 由匀变速直线运动的位移公式可得：22v ax = 由图乙所示图象可知，0.8m x =时，0.8N F =
由牛顿第二定律得：22B L v
F ma R
-=
解得：0.5T B =
(3)金属棒经过磁场的过程中，感应电动势的平均值： B S BLd
E t t t
ϕ∆∆===∆∆∆ 感应电流的平均值：E
I R
=
通过电阻R 的电荷量：q I t =∆ 解得：1C BLd
q R R
ϕ∆=
==
设外力F 的作用时间为t ，力F 作用时金属棒的位移为：212
x at =
撤去外力后，金属棒的速度为：022
B s v v L Rm
=-
到PQ 恰好静止，0v =
则撤去外力后金属棒运动的距离为：22
mR
at B L s •=
则 22212B L at at d Rm
+•= 解得：1s t =
6．如图所示，两光滑轨道相距L =0.5m ，固定在倾角为37θ=︒的斜面上，轨道下端接入阻值为R =1.6Ω的定值电阻。

整个轨道处在竖直向上的匀强磁场中，磁感应强度B =1T 。

一质量m =0.1kg 的金属棒MN 从轨道顶端由静止释放，沿轨道下滑，金属棒沿轨道下滑x =3.6m 时恰好达到最大速度（轨道足够长），在该过程中，金属棒始终能保持与轨道良好接触。

（轨道及金属棒的电阻不计，重力加速度g 取10m/s 2, sin37° = 0.6，cos37°= 0.8)求：
（1）金属棒下滑过程中，M 、N 哪端电势高； （2）求金属棒下滑过程中的最大速度v ； （3）求该过程回路中产生的焦耳热Q 。

【答案】（1）M 端电势较高 （2）6m/s （3）0.36J 【解析】 【详解】
（1）根据右手定则，可判知M 端电势较高
（2）设金属棒的最大速度为v ，根据法拉第电磁感应定律，回路中的感应电动势
E =BLv cos θ
根据闭合电路欧姆定律，回路中的电流强度
I =E /R
金属棒所受安培力F 为
F =BIL
对金属棒，根据平衡条件列方程
mg sin θ=F cos θ
联立以上方程解得：
v =6m/s
(3)根据能量守恒
2
1sin 2
mgx mv Q θ=
+ 代入数据解得：
0.36J Q =
【点睛】
本题是力学和电磁学的综合题，综合运用了电磁感应定律、能量守恒定律以及共点力平衡问题，要注意此题中棒不是垂直切割磁感线，产生的感应电动势不是E ＝BLv ．应根据有效
切割速度求解。

7．两根足够长的固定平行金属导轨位于同一水平面内，两导轨间的距离为l ，导轨上面垂直放置两根导体棒ab 和cd ，构成矩形回路，如图所示．两根导体棒的质量均为m ，电阻均为R ，回路中其余部分的电阻不计．在整个导轨平面内都有竖直向上的匀强磁场，磁感应强度为B ．两导体棒均可沿导轨无摩擦地滑行，开始时cd 棒静止，棒ab 有指向cd 的速度v 0．两导体棒在运动中始终不接触．求：
（1）在运动中产生的最大焦耳热； （2）当棒ab 的速度变为
3
4
v 0时，棒cd 的加速度． 【答案】(1) 2014mv ；(2) 220
4B L v mR
，方向是水平向右
【解析】 【详解】
(1)从初始到两棒速度相等的过程中，两棒总动量守恒，则有：02mv mv = 解得：02
v v =
由能的转化和守恒得：222001211224
Q mv mv mv =⨯=- (2)设ab 棒的速度变为
03
4
v 时，cd 棒的速度为v '，则由动量守恒可知：003
4
mv m v mv =+'
解得：014
v v '=
此时回路中的电动势为： 000311
442
E BLv BLv BLv =-= 此时回路中的电流为： 024BLv E I R R
=
=
此时cd棒所受的安培力为：
22
4
B L v F BIL
R ==
由牛顿第二定律可得，cd棒的加速度：
22
4
B L v
F
a
m mR ==
cd棒的加速度大小是
22
4
B L v
mR
，方向是水平向右
8．如图甲所示，倾角为足够长的倾斜导体轨道与光滑水平轨道平滑连接。

轨道宽度，电阻忽略不计。

在水平轨道平面内有水平向右的匀强磁场，倾斜轨道平面内有垂直于倾斜轨道向下的匀强磁场，大小都为B，现将质量、电阻的两个相同导体棒ab和cd，垂直于轨道分别置于水平轨道上和倾斜轨道的顶端，同时由静止释放。

导体cd下滑过程中加速度a和速度v的关系如图乙所示。

cd棒从开始运动到最大速度的过程中流过cd棒的电荷量（，，），则：，
（1）cd和倾斜轨道之间的动摩擦因数是多少；
（2）ab和水平轨道之间的最大压力是多少；
（3）cd棒从开始运动到速度最大的过程中ab棒上产生的焦耳热是多少．
【答案】(1) ；(2) (3)
【解析】
【详解】
解：(1) 刚释放时，加速度：
对棒受力分析，由牛顿第二定律得：
解得：
(2)由图像可知，时棒速度达到最大，此时电路中的电流最大，此时速度：
，安培力达到最大，对地面压力也达到最大
对受力分析：
对棒受力分析：
解得：，
(3)安培力大小：
解得：
由：
解得：
从开始到速度最大的过程中，根据动能定理得：
产生的总焦耳热：
棒上产生的焦耳热：
9．如图所示，竖直放置的U 形导轨宽为L ，上端串有电阻R （其余导体部分的电阻都忽略不计）．磁感应强度为B 的匀强磁场方向垂直于纸面向外．金属棒ab 的质量为m ，与导轨接触良好，不计摩擦．从静止释放后ab 保持水平而下滑．
试求：（1）金属棒ab 在下落过程中，棒中产生的感应电流的方向和ab 棒受到的安培力的方向．
（2）金属棒ab 下滑的最大速度v m ．
【答案】（1）电流方向是b→a ．安培力方向向上． （2）22
m mgR
v B L ＝ 【解析】
试题分析：（1）金属棒向下切割磁场，根据右手定则，知电流方向是b→a ．根据左手定则得，安培力方向向上．
（2）释放瞬间ab 只受重力，开始向下加速运动．随着速度的增大，感应电动势E 、感应电流I 、安培力F 都随之增大，加速度随之减小．当F 增大到F=mg 时，加速度变为零，这时ab 达到最大速度．
由22m
B L v F mg R
＝＝，
可得22
m mgR
v B L ＝
考点：电磁感应中的力学问题．
10．两根足够长的光滑直金属导轨平行放置在倾角为θ的绝缘斜面上，两导轨间距为L ，且接有阻值为R 的电阻。

整套装置处于磁感应强度为B 的匀强磁场中，磁场方向垂直于斜面向上。

导轨和金属杆的电阻可忽略。

让金属杆MN 由静止沿导轨开始下滑.求：
（1）当导体棒的速度为v （未达到最大速度）时，通过MN 棒的电流大小和方向； （2）导体棒运动的最大速度. 【答案】(1) Blv
I R =,方向为从N 到M (2)22
sin m mgR v B L θ= 【解析】 【详解】
（1）当导体棒的速度为v 时，产生的感应电动势为E Blv = 回路中的电流大小为Blv
I R
=
由右手定则可知电流方向为从N 到M
（2）导体棒在磁场中运动时，所受安培力大小为
22B L v
F ILB R
== 由左手定则可知，安培力方向沿斜面向上当导体棒的加速度为零时，速度最大即：
22sin m
B L v mg R
θ=
可解得最大速度为:
22
sin m mgR v B L θ
=
答：（1）当导体棒的速度为v （未达到最大速度）时，通过MN 棒的电流大小为Blv
I R
=,方向为从N 到M ；
（2）导体棒运动的最大速度22
sin m mgR v B L θ
=。