电磁感应现象中的几种常见图象

电磁感应现象中的几种常见图象

江西省都昌县第一中学李一新

高考《考试说明》中关于能力要求中，要考核的能力的第4点是“应用数学处理物理问题的能力”中，指出“能够根据具体问题列出物理量之间的关系式，进行推导和求解，并根据结果得出物理结论；必要时能运用几何图形、函数图象进行表达、分析。”因此在每年高考中，关于图象的考查备受高考命题专家的青睐，而电磁感应现象的中图象更是高考的热点。在电磁感应现象中，涉及磁感应强度B．磁通量Φ、感应电动势E和感应电流I随时间t变化的图象，即B—t图象、Φ—t图象、E—t图象I—t图象。对于导体切割磁感线产生感应电动势和感应电流的情况，还涉及感应电动势E和感应电流I随位移x变化的图象即E—x和I—x图象。由于感应电流的产生，导体受到安培力作用，其运动情况又会发生动态变化，又有v—t、v—x和a—x等图象。

一、E—t图象

例1（2007全国卷Ⅱ）如图1所示，在PQ、QR区域中存在着磁感应强度大小相等、方向相反的匀强磁场、磁场方向均垂直于纸面。一导线框abcdef位于纸面内，框的邻边都相互垂直，bc边与磁场的边界P重合，导线框与磁场区域的尺寸如图所示。从t＝0时刻开始，线框匀速横穿两个磁场区域。以a→b→c →d→e→f为线框中的电动势E的正方向，以下四个E－t关系示意图中正确的是（）

解析：bc边进入PQ区域的磁场时，切割磁感线的导线有效长度为l，感应电动势方向为负；bc边进入QR区域的磁场时，de边同时也进入PQ区域磁场中，它们切割磁感线的导线产生的感应电动势大小相等、方向相反，总电动势为零；bc边离开磁场时，de边进入QR区域磁场中，af边同时也进入PQ区域磁场中，它们切割磁感线产生的感应电动势方向均为正，总感应电动势相加；以后便只有af边在QR区域切割磁感线，产生的感应电动势方向为负，故正确的选项为C。

二、i—t图象

例2（2008年全国卷Ⅱ）如图2所示，一个边长为l的正方形虚线框内有垂直于纸面向里的匀强磁场；一个边长也为l的正方形导线框所在平面与磁场方向垂直；虚线框对角线ab与导线框的一条边垂直，ba的延长线平分导线框。在t＝0时，使导线框从图示位置开始以恒定速度沿ab方向移动，直到整个导线框离开磁场区域。以i表示导线框中感应电流的强度，取逆时针方向为正。下列表示i—t关系的图示中，可能正确的是（）

解析：从正方形线框下边开始进入到下边完全进入过程中，线框切割磁感线的有效长度逐渐增大，感应电流也逐渐增大，如图2的初位置→图3的位置Ⅰ；从正方形线框下边完全进入至下边刚穿出磁场边界，切割磁感线的有效长度不变，感应电流不变，如图3的位置Ⅰ→Ⅱ；当正方形线框下边部分离开磁场，上边尚未进入磁场过程中，线框切割磁感线的有效长度逐渐减小，感应电流也逐渐减小，如图3的位置Ⅱ→Ⅲ；当正方形线框下边部分继续离开磁场，上边也进入磁场过程中，上下两边线框切割磁感线产生的感应电动势方向相反，感应电流减小得更快，当上下两边在磁场中长度相等，感应电动势为零，如图3的位置Ⅲ→Ⅳ；以后的过程与上述过程相反，故正确的选项为C。

三、E—x图象

例3（2008年上海卷）如图4所示，平行于y轴的导体棒以速度v向右做匀速直线运动，经过半径为R、磁感应强度为B的圆形匀强磁场区域，导体棒中的感应电动势E与导体棒位置x关系的图像是

（）

解析：如图5所示，设导体棒运动到位置x处，由几何关系可得导体棒切割磁感线的有效长度为

产生的感应电动势为

整理后可得

从方程可以看出，感应电动势E与导体棒位置x关系的图像是一个椭圆，故正确的选项为A。

四、I—x图象

例4（2005年上海卷）如图6所示，A是长直密绕通电螺线管，小线圈B与电流表连接，并沿A的轴线Ox从O点自左向右匀速穿过螺线管A。能正确反映通过电流表中电流I随x变化规律的是（）

解析：小线圈B从O点自左向右匀速穿过螺线管A的过程中，穿过小线圈的磁通量先是增加然后是不变最后是减小，且进入和穿出产生的感应电流方向相反，则正确反映通过电流表中电流I随x变化规律的是C图。

五、B—t图象

例5两条彼此平行间距为l=0．5m的光滑金属导轨水平固定放置，导轨左端接阻值R=2Ω的电阻，右端接阻值R L=4Ω的小灯泡，如图7（a）所示。在导轨的MNQP矩形区域内有竖直向上的匀强磁场，MP的长d=2m，MNQP区域内磁场的磁感应强度B随时间t的关系如图7（b）所示。垂直导轨跨接一金属杆，金属杆的电阻r=2Ω，两导轨电阻不计。在t=0时刻，用水平恒力F拉金属杆，使金属杆由静止开始从GH 位置向右运动，在金属杆从GH位置运动到PQ位置的过程中，小灯泡的亮度一直没有变化。求：

（1）通过小灯泡的电流I L；

（2）水平恒力F的大小；

（3）金属杆的质量m。

解析：（1）在力F的作用下，棒未运动到磁场区域时，磁场变化导致电路中产生感应电动势，此时感应电动势为

V

电路结构为r与R并联，再与R L串联，总电阻R总=5Ω，则通过小灯泡的电流

A ①

（2）在力F的作用下，棒运动到磁场区域时，导体棒切割磁感线产生电动势，此时电路的结构是R 与R L并联为外阻，r为内阻，由于小灯泡中电流不变，则流过导体棒的电流为

A ②

导体棒所受的安培为

N

小灯泡中电流不变，可知导体棒必定做匀速运动，则F=F A=0．3N （3）导体棒切割磁感线产生的为

③

由①②③式得导体棒的进入磁场时的速度v=1m/s

由动量定理有

得金属杆的质量kg。

六、v—t图象

例6如图8甲所示，空间存在B=0．5T、方向竖直向下的匀强磁场。MN、PQ是处于同一水平面内相互平行的粗糙长直导轨，间距L=0．2m，R是连在导轨一端的电阻，ab是跨接在导轨上质量m=0．1kg的导体棒。从零时刻开始，通过一小型电动机对ab棒施加一个牵引力F，方向水平向左，使其从静止开始沿导轨做加速运动，此过程中棒始终保持与导轨垂直且接触良好。图8乙所示的是棒的v—t图象，其中OA是直线，AC是曲线，DE是曲线图的渐进线。小型电动机在12s末达到额定功率，P额=4．5W，此后功率保持不变，除R以外其余部分电阻不计，g=10m/s2。

（1）求导体棒在0～12s内的加速度大小；

（2）求导体棒与导轨间的动摩擦因数μ及电阻R的阻值；

（3）若t=17s时，导体棒ab达到的最大速度，0～17s内共发生位移100m，试求12～17s内，R上产生的热量是多少？