杆+导轨模型专题
电磁感应中的“杆+导轨”类问题(3大模型)(解析版)
电磁感应中的“杆＋导轨”类问题(3大模型)电磁感应“杆＋导轨”模型的实质是不同形式的能量的转化过程，处理这类问题要从功和能的观点入手，弄清导体棒切割磁感线过程中的能量转化关系，现从力学、图像、能量三种观点出发，分角度讨论如下：模型一 单杆＋电阻＋导轨模型[初建模型][母题] 如图所示，相距为L 的两条足够长的光滑平行金属导轨MN 、PQ 与水平面的夹角为θ，N 、Q 两点间接有阻值为R 的电阻。
整个装置处于磁感应强度为B 的匀强磁场中，磁场方向垂直导轨平面向下。
将质量为m 、阻值也为R 的金属杆cd 垂直放在导轨上，杆cd 由静止释放，下滑距离x 时达到最大速度。
重力加速度为g ，导轨电阻不计，杆与导轨接触良好。
求：(1)杆cd 下滑的最大加速度和最大速度； (2)上述过程中，杆上产生的热量。
[解析] (1)设杆cd 下滑到某位置时速度为v ，则杆产生的感应电动势E ＝BL v ，回路中的感应电流I ＝ER ＋R杆所受的安培力F ＝BIL 根据牛顿第二定律有mg sin θ－B 2L 2v2R＝ma当速度v ＝0时，杆的加速度最大，最大加速度a ＝g sin θ，方向沿导轨平面向下当杆的加速度a ＝0时，速度最大，最大速度v m ＝2mgR sin θB 2L 2，方向沿导轨平面向下。
(2)杆cd 从开始运动到达到最大速度过程中，根据能量守恒定律得mgx sin θ＝Q 总＋12m v m 2又Q 杆＝12Q 总，所以Q 杆＝12mgx sin θ－m 3g 2R 2sin 2θB 4L 4。
[答案] (1)g sin θ，方向沿导轨平面向下 2mgR sin θB 2L 2，方向沿导轨平面向下 (2)12mgx sin θ－m 3g 2R 2sin 2θB 4L 4[内化模型]单杆＋电阻＋导轨四种题型剖析开始时a ＝g sin α，B L[变式] 此题若已知金属杆与导轨之间的动摩擦因数为μ。
现用沿导轨平面向上的恒定外力F 作用在金属杆cd 上，使cd 由静止开始沿导轨向上运动，求cd 的最大加速度和最大速度。
电磁感应现象中“杆+导轨”模型梳理
ʏ河南省郑州市第三十一高级中学 董卫刚 王梦娜电磁感应现象中的杆+导轨 模型是近几年高考中的常见考点之一,比如2020年高考全国Ⅰ卷第21题㊁全国Ⅲ卷第24题,2021年高考全国乙卷第25题㊁北京卷第7题,2022年高考全国甲卷第20题㊁辽宁卷第15题,2023年高考全国甲卷第25题㊁湖南卷第14题㊁辽宁卷第10题等㊂涉及杆+导轨 模型的物理试题几乎涵盖了高中物理所有的核心内容,综合性较强,区分度较高㊂下面将涉及 杆+导轨 模型的物理试题进行系统梳理,总结求解此类问题的思路和方法,为同学们的复习备考提供参考㊂一㊁电磁感应核心知识梳理1.感应电流方向的判断方法:2.感应电动势大小的求法:法拉第电磁感应定律的三种表达式分别为E =n ΔΦΔt ,E =n ΔBΔt S (面积不变,磁感应强度变化),E =n BΔS Δt (磁感应强度不变,面积变化)㊂如图1所示,当一段直导线(等效直导线)垂直磁场做切割磁感线运动时,产生的感应电动势E =B l v ㊂如图2所示,当绕一端转动的一段导体棒在磁场内做切割磁感线运动时,产生的感应电动势E =12B l 2ω㊂如图3所示,当绕与磁场方向垂直的轴转动的导线框在磁场中做切割磁感线运动产生交变电流时,从图示时刻开始计时产生的感应电动势E =n B S ωc o s ωt㊂图1 图2 图33.感应电荷量的计算:因磁通量变化而产生的感应电荷量q =I Δt =E R Δt =n ΔΦR Δt Δt =nΔΦR ,说明感应电荷量q 仅由回路电阻R 和磁通量的变化量ΔΦ决定㊂4.动量定理在 杆+导轨 模型中的应用:对单根导体棒应用动量定理得m v -m v 0=-B I L ㊃Δt =-B L q ㊂二㊁ 杆+导轨 模型梳理模型一:单杆,无电源,受恒定外力图4如图4所示,金属杆MN 放在水平放置的光滑导轨上,空间存在垂直于导轨平面向上的匀强磁场,金属杆MN 受到恒定的外力作用㊂以金属杆MN 为研究对象,根据牛顿第二定律得F -B 2L 2v R =m a ,解得a =F m -B 2L2m R v ,因此随着速度v 的增大,加速度a 逐渐减小,当a =0的时候,金属杆MN 达到平衡状态,以恒定的速度做匀速直线运动㊂上述规律不仅适用于水平面内的运动,竖直平面内的运动或斜面上的运动也适用,只不过是将恒力稍微变化了一下㊂例1 如图5所示,两根足够长的光滑导轨竖直放置,间距为L ,顶端接阻值为R 的电阻㊂匀强磁场方向垂直于导轨所在平面解题篇 经典题突破方法 高考理化 2023年11月图5(纸面)向里,磁感应强度为B ,质量为m ㊁电阻为r 的金属棒在距磁场上边界某处由静止释放,金属棒和导轨始终接触良好㊂不计导轨的电阻,重力加速度为g ,则下列说法中正确的是( )㊂A.金属棒在磁场中运动时,通过电阻R 的电流方向为a ңbB .金属棒刚进入磁场时一定做加速运动C .金属棒的速度为v 时,金属棒所受的安培力大小为B 2L 2vR D .金属棒以稳定的速度下滑时,电阻R 的热功率为m g B L2R思路点拨:金属棒进入磁场后,产生的感应电动势E =B L v ,回路中的感应电流I =E R +r =B L v R +r ,通过电阻R 的电流方向为b ңa ,金属棒所受的安培力大小F =B I L =B 2L 2vR +r,当金属棒稳定下滑时,F =m g ,电阻R 的热功率P =B L v R +r 2R ,解得P =m g B L2R ㊂答案:D模型二:单杆,无电源,有初速度如图6所示,给金属杆e f 一个初速度图6(初始冲量),让金属杆e f 运动起来,金属杆e f 切割磁感线,在回路c b e f 中产生感应电流,金属杆e f 相当于电源,此时金属杆e f 受到一个与运动方向相反的安培力,阻碍金属杆e f 的运动,金属杆e f 做减速运动,速度减小会让安培力随着减小,加速度就跟着减小,因此金属杆e f 做加速度减小的减速运动,直到速度减为零,停止运动㊂若导轨是光滑的,则金属杆e f 的初动能全部转化为电阻R 产生的焦耳热,即Q =12m v 20,金属杆e f 通过克服安培力做功把机械能转化为了电能㊂同时还可以根据动量定理得-B I L Δt =0-m v 0,又有q =I ㊃Δt ,求出在此过程中通过电阻R 的电荷量q =m v 0B L㊂图7例2 (2021年高考北京卷)如图7所示,在竖直向下的匀强磁场中,水平U 型导体框左端连接一阻值为R 的定值电阻,质量为m ㊁电阻为r 的导体棒a b 置于导体框上㊂不计导体框的电阻㊁导体棒与框间的摩擦㊂导体棒以水平向右的初速度v 0开始运动,最终停在导体框上㊂在此过程中( )㊂A.导体棒做匀减速直线运动B .导体棒中感应电流的方向为a ңbC .电阻R 消耗的总电能为m v 2R 2(R +r )D .导体棒克服安培力做的总功小于12m v 20思路点拨:导体棒做加速度减小的减速运动,导体棒中感应电流的方向为b ңa ㊂安培力的变化会引起加速度的变化,根据能量守恒定律和动能定理可知,电阻R 消耗的总电能为m v 2R 2(R +r ),导体棒克服安培力做的总功等于12m v 20㊂答案:C模型三:单杆,有电容,受恒定外力如图8所示,水平放置的光滑平行导轨左侧接电容为C 的电容器,空间存在垂直于导轨平面向上的匀强磁场,金属棒MN 和导图8轨的电阻忽略不计,摩擦力不计,金属棒MN 在水平向右的恒定拉力F 的作用下,由静止开始做加速运动,持续对电容器充电,则存在充电电流时,有F -B I l =m a ,I =ΔQ Δt,ΔQ =C ΔU ,ΔU =ΔE =B l Δv ,整理得F -C B 2l 2ΔvΔt=m a ,其中解题篇 经典题突破方法 高考理化 2023年11月Δv Δt =a ,解得a =Fm +C B 2l 2,因此金属棒MN 做加速度恒定的匀加速直线运动㊂从能量的角度分析,存在功能关系W F =12m v 2+E 电㊂例3 如图9所示,间距为L的金属导图9轨竖直平行放置,空间存在垂直于导轨所在平面向里的匀强磁场,磁感应强度为B ,在导轨上端接一电容为C 的电容器,一质量为m 的金属棒与导轨始终保持良好接触㊂将金属棒距地面高度为h 处由静止开始释放,已知重力加速度为g ,一切摩擦及电阻均不计㊂在金属棒下滑至地面的过程中,下列说法正确的是( )㊂A.若h 足够大,则金属棒最终匀速下落B .金属棒下滑至地面时,电容器储存的电势能为m gh C .金属棒做匀加速直线运动,加速度为m gm g +C 2B 2L2D .金属棒下滑至地面时,电容器储存的电势能为m g h C B 2L 2m +C B 2L2思路点拨:根据牛顿第二定律得m g -B I L =m a ,又有B L v =QC,v =a t ,Q =I t ,解得a =m g m +C B 2L 2,金属棒在下降过程中做匀加速直线运动,金属棒下滑至地面时的动能E k =12m v 2,又有v 2=2a h =2m g h m +C B 2L 2,根据能量守恒定律得电容器储存的电势能E =m g h -12m v 2=m g h C B 2L 2m +C B 2L2㊂答案:D模型四:双杆,等长,有初速度图10如图10所示,光滑导轨上放置两根导体棒,给导体棒1一个初速度,导体棒1受安培力的作用做加速度减小的减速运动,导体棒2受安培力的作用做加速度减小的加速运动,最后两导体棒以相同的速度做匀速直线运动,对两导体棒运用动量守恒定律可以求出最终的共同速度㊂从能量的角度分析,导体棒1动能的减少量=导体棒2动能的增加量+焦耳热㊂例4 如图11所示,两根足够长的平图11行光滑导轨固定在绝缘水平面上,所在空间存在方向垂直于水平面㊁磁感应强度为B ㊁范围足够大的匀强磁场,导轨的间距为L ,电阻不计;导轨上静置两根有效长度均为L 的导体棒P Q 和MN ,其中导体棒P Q 的质量为2m ㊁阻值为R ,导体棒MN 的质量为m ㊁阻值为2R ㊂若在t =0时刻给导体棒P Q 一个平行于导轨向右的初速度v 0,不计运动过程中两导体棒的相互作用,则( )㊂A.t =0时刻,两导体棒的加速度大小相等B .t =0时刻,导体棒P Q 两端的电压为23B L v 0C .导体棒P Q 匀速运动时的速率为13v 0D .从t =0时刻到导体棒P Q 匀速运动的过程中,导体棒MN 中产生的焦耳热为29m v 20思路点拨:导体棒P Q 向右运动,产生的感应电动势E =B L v 0,此时路端电压为23B L v 0,回路中的感应电流I =ER +2R,两导体棒受到的安培力大小均为F =B I L ,则a MN =F m ,a P Q =F2m ,因此t =0时刻,两导体棒的加速度大小不相等,受到的安培力大小相等,方向相反,两导体棒在运动过程中满足动量守恒定律,则2m v 0=(m +2m )v 共,最终两导体棒以速度v 共=23v 0做匀速直线运动㊂两导体棒中的电流相等,产生的焦耳热分别为Q MN =2I 2有R t ,Q P Q =I 2有R t ,则Q MN ʒ 解题篇 经典题突破方法 高考理化 2023年11月Q P Q =2ʒ1㊂根据能量守恒定律可知,在整个运动过程中产生的总热量等于系统总动能的减少量,即Q =12ˑ2m v 20-12ˑ(m +2m )v 2共,解得Q MN =29m v 20㊂答案:B D模型五:双杆,等长,受恒定外力如图12所示,足够长的光滑导轨上放置图12两根导体棒,导体棒1受到一个恒定的力F 的作用,导体棒1做加速度逐渐减小的加速运动,导体棒2做加速度逐渐增大的加速运动,最终两导体棒以相同的加速度做匀加速直线运动,两导体棒的速度差恒定,回路中存在恒定的感应电流,两导体棒受到的安培力大小相等,对整体有F =(m 1+m 2)a ,对导体棒2有B 2L 2(v 1-v 2)R 1+R 2=m 2a ,联立以上两式可以求出两导体棒的速度差值㊂从能量的角度分析,外力做的功=导体棒1的动能+导体棒2的动能+焦耳热㊂例5 (2020年高考全国Ⅰ卷)如图13所示,U 型光滑金属框a b c d置于水平绝缘平图13台上,a b 边和d c 边平行,和b c 边垂直㊂a b ㊁d c 边足够长,整个金属框的电阻可忽略㊂一根具有一定电阻的导体棒MN 置于金属框上,用水平恒力F 向右拉动金属框,运动过程中,装置始终处于竖直向下的匀强磁场中,导体棒与金属框保持良好接触,且与b c 边保持平行㊂经过一段时间后( )㊂A.金属框的速度大小趋于恒定值B .金属框的加速度大小趋于恒定值C .导体棒所受安培力的大小趋于恒定值D .导体棒到金属框b c 边的距离趋于恒定值思路点拨:金属框向右的加速度与导体棒的加速度不同,同一时刻两者速度也不同,设金属框的质量为m 1,速度为v 1,导体棒的质量为m 2,速度为v 2,则回路中的感应电流i =B l (v 1-v 2)R ,感应电流从0开始增大,导体棒的加速度a 2从零开始增大,金属框的加速度a 1从F m 1开始减小,二者的加速度差值减小,当a 1=a 2时,有F =(m 1+m 2)a ,则a =Fm 1+m 2恒定,根据F 安=m 2a 可知,安培力不再变化,感应电流不再变化,金属框与导体棒的速度差保持不变,但导体棒的速度小于金属框的速度,则导体棒到金属框b c 边的距离越来越大㊂答案:B C模型六:双杆,不等长,有初速度如图14所示,光滑导轨水平放置,匀强磁场垂直于水平面向下,左侧导轨间距为L ,图14右侧导轨间距为2L ,且两侧导轨均足够长㊂现给金属杆c d 一水平向右的初速度v 0,金属杆c d 做切割磁感线运动,产生感应电流,金属杆c d 受到的安培力阻碍它的运动,金属杆a b 受到的安培力使它做加速运动,两金属杆长度不同,所受安培力大小不相等,系统动量不守恒,一旦金属杆a b 开始运动,金属杆a b 也要做切割磁感线运动,产生一个反电动势,使得回路中的感应电流减小,当感应电流为零时,两金属杆均做匀速运动,此时两金属杆的速度关系为v a b =2v c d ,分别对两金属杆应用动量定理可以求出最终的速度㊂例6 如图15所示,光滑导轨水平放置,匀强磁场垂直于水平面向下,磁感应强度图15为B ,左侧导轨间距为L ,右侧导轨间距为2L ,且两侧导轨均足够长㊂质量为m 的导体棒a b 和质量为2m 的导体棒c d 均垂直于导轨放置,处于静止状态㊂导体棒a b 接入电路的电阻(下转第45页)点左侧与感光板相切,则此切点P 1就是α粒子能打中的左侧最远点㊂为定出P 1点的位置,可作平行于感光板的直线c d ,直线c d 到感光板的距离为R ,以S 为圆心,R 为半径作弧,交直线c d 于Q 点,过Q 点作感光板的垂线,它与感光板的交点即为P 1㊂根据几何关系得N P 1=R 2-(l -R )2=8c m ㊂再考虑N 点的右侧,任何α粒子在运动中到S 点的距离不可能超过2R ,以2R 为半径,S 为圆心作圆,交感光板于N 点右侧的P 2点,P 2点就是α粒子能打中的右侧最远点㊂根据几何关系得N P 2=(2R )2-l 2=12c m ㊂因此P 1P 2=N P 1+N P 2=20c m ㊂12.(1)金属棒MN 滑过圆环直径O O '的瞬时,切割磁感线的有效长度为2ɑ,金属棒MN 中的感应电动势E 1=B ㊃2ɑ㊃v 0=0.8V ,流过灯泡L 1的电流I 1=E 1R 0=0.4A ㊂(2)撤去金属棒MN ,将右侧半圆环以直径O O '为轴向上翻转90ʎ,根据法拉第电磁感应定律得E 2=ΔФΔt =πa 22㊃ΔB Δt=0.32V ,则灯泡L 1的电功率P =E 222R 0=1.28ˑ10-2W ㊂13.(1)设金属棒甲向右运动的最大速度为v m a x ,对应电流为I ,金属棒甲受到的安培力为F 安,则F =F 安=B I L ,I =B L v m a xR +2R ,解得v m a x =3R FB 2L 2㊂金属棒甲中产生焦耳热的功率的最大值P m a x =13F 安v m a x =F 2RB 2L2㊂(2)当力F 作用时间为t 时,设金属棒甲和乙的速度大小分别为v 1和v 2,对金属棒甲应用动量定理得F t -B I L t =m v 1,对金属棒乙应用动量定理得2B I L t =2m v 2,此时回路中的感应电流I =B L v 1-2B L v 2R +2R ,对金属棒甲应用牛顿第二定律得F -B I L =m a ,解得v 2=F t3m -(F -m a )RB 2L2㊂(责任编辑 张 巧)(上接第39页)为R ,导体棒c d 接入电路的电阻为2R ,两导体棒始终在对应的导轨部分上运动,并始终与导轨垂直且接触良好,导轨电阻不计㊂现瞬间给导体棒c d 一水平向右的初速度v 0,则对此后的运动过程,下列说法中正确的是( )㊂A.两导体棒组成的系统动量守恒B .导体棒c d 最终的速度为23v 0C .整个过程中,通过导体棒c d 的电荷量为2m v 03B LD .从导体棒c d 获得初速度到二者稳定运动的过程中,系统产生的焦耳热为23m v 20思路点拨:因为导体棒a b 和c d 的长度不同,所以受到的安培力大小不相等,两导体棒组成的系统动量不守恒㊂当导体棒a b 和c d 产生的感应电动势大小相等时,两导体棒都做匀速直线运动,则B L v a b =B ㊃2L v c d ,对两导体棒分别应用动量定理得B I ㊃L Δt =m v a b ,-B I ㊃2L Δt =2m v c d -2m v 0,解得v c d =v 03,v a b =2v 03㊂结合q =I Δt ,解得q =2m v 03B L ㊂根据能量守恒定律得整个过程中系统产生的焦耳热Q =12ˑ2m v 20-12ˑ2m v 2c d -12m v 2a b ,解得Q =23m v 20㊂答案:C D总结: 杆+导轨 是一个经典的模型,涉及知识点比较多㊂在以 杆+导轨 模型为素材的电磁感应问题中,若满足动量守恒条件,则应优先选用动量守恒定律列式求解;若已知位移,则需结合动能定理列式求解;若已知时间,则需结合动量定理列式求解;若需要求电荷量,则需要应用安培力的冲量I 安=B L q ,并结合能量守恒定律列式求解㊂总之,求解以 杆+导轨 模型为素材的电磁感应问题时,需要充分挖掘题目隐含条件,使复杂的问题简单化,将难点逐个突破㊂(责任编辑 张 巧)。
高中物理重要方法典型模型突破15-模型专题(7)--杆+导轨模型(解析版)
模型专题（7）杆＋导轨模型【重点模型解读】“杆＋导轨”模型是电磁感应问题高考命题的“基本道具”之一，也是高考的热点，考查的知识点多，题目的综合性强，物理情景富于变化，是我们复习中的难点。
“杆＋导轨”模型又分为“单杆”型和“双杆”型（江苏高考基本要求单杆较多）；导轨放置方式可分为水平、竖直和倾斜；杆的运动状态可分为匀速运动、匀变速运动、非匀变速运动或转动等；磁场的状态可分为恒定不变、均匀变化和非均匀变化等等，情景复杂形式多变。
情景1(v0≠0)情景2(v0＝0)情景三(v0＝0)情景四(v0＝0)说明杆cd以一定初速度v0在光滑水平轨道上滑动，质量为m，电阻不计，两导轨间距为L轨道水平光滑，杆cd质量为m，电阻不计，两导轨间距为L，拉力F恒定倾斜轨道光滑，倾角为α，杆cd质量为m，两导轨间距为L竖直轨道光滑，杆cd质量为m，两导轨间距为L示意图力学观点杆以速度v切割磁感线产生感应电动势E＝BLv，电流I＝BLvR，安培力F＝BIL＝B2L2vR。
杆做减速运动：v↓⇒F↓⇒a↓，当v＝0时，a＝0，杆保持静止开始时a＝Fm，杆cd速度v↑⇒感应电动势E＝BLv↑⇒I↑⇒安培力F安＝BIL↑，由F－F安＝ma知a↓，当a＝0时，v最大，v m＝FRB2L2开始时a＝g sin α，杆cd速度v↑⇒感应电动势E＝BLv↑⇒I↑⇒安培力F安＝BIL↑，由mg sin α－F安＝ma知a↓，当a＝0时，v最大，v m＝mgR sin αB2L2开始时a＝g，杆cd速度v↑⇒感应电动势E＝BLv↑⇒I↑⇒安培力F安＝BIL↑，由mg－F安＝ma知a↓，当a＝0时，v最大，v m＝mgRB2L2图像观点能量观点动能全部转化为内能：Q＝12mv02F做的功一部分转化为杆的动能，一部分转化为内能：W F＝Q＋12mv m2重力做的功(或减少的重力势能)一部分转化为杆的动能，一部分转化为内能：W G＝Q＋12mv m2重力做的功(或减少的重力势能)一部分转化为杆的动能，一部分转化为内能：W G＝Q＋12mv m2情景1(v0＝0)情景2(v0＝0)情景3(v0＝0)情景4(v0＝0)说明轨道水平光滑，杆cd质量为m，电阻不计，两导轨间距为L轨道水平光滑，杆cd质量为m，电阻不计，两导轨间距为L，拉力F恒定倾斜轨道光滑，杆cd质量为m，电阻不计，两导轨间距为L竖直轨道光滑，杆cd质量为m，电阻为R，两导轨间距为L示意图力学观点S闭合，杆cd受安培力F＝BLEr，a＝BLEmr，杆cd速度v↑⇒感应电动势E感＝BLv↑⇒I↓⇒安培力F＝BIL↓⇒加速度a↓，当E感＝E时，v最大，且v m＝EBL开始时a＝Fm，杆cd速度v↑⇒E＝BLv↑，经过Δt速度为v＋Δv，E′＝BL(v＋Δv)，Δq＝C(E′－E)＝CBLΔv，I＝ΔqΔt＝CBLa，F安＝CB2L2a，a＝Fm＋B2L2C，所以杆匀加速运动开始时a＝g sinα，杆cd速度v↑⇒E＝BLv↑，经过Δt速度为v＋Δv，E′＝BL(v＋Δv)，Δq＝C(E′－E)＝CBLΔv，I＝ΔqΔt＝CBLa，F安＝CB2L2a，mg sin α－F安＝ma，a＝mg sin αm＋CB2L2，所以杆匀加速运动开始时a＝g，杆cd速度v↑⇒E＝BLv↑，经过Δt速度为v＋Δv，E′＝BL(v＋Δv)，Δq＝C(E′－E)＝CBLΔv，I＝ΔqΔt＝CBLa，F安＝CB2L2a，mg－F安＝ma，a＝mgm＋CB2L2，所以杆匀加速运动图像观点能量观点电源输出的电能转化为动能：W电＝12mv m2F做的功一部分转化为动能，一部分转化为电场能：W F＝12mv2＋E C重力做的功一部分转化为动能，一部分转化为电场能：W G＝12mv2＋E C重力做的功一部分转化为动能，一部分转化为电场能：W G＝12mv2＋E C【例1】如图所示，间距L=1.0m的固定平行光滑金属导轨平面与水平面成θ=37°角，导轨上端接有阻值为R=1.0Ω的电阻，整个装置处在磁感应强度大小为B=1.0T，方向垂直于导轨平面向下的匀强磁场中。
微专题-模型系列 电磁感应中的“杆+导轨”模型
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电磁感应中的“杆＋导轨”模型 试题
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(1)因为杆b静止，所以有 F2－B2IL＝mgtan 37°， 而F2＝0.75＋0.2t(N)， 解得I＝0.4t(A)． 整个电路中的电动势由杆a运动产生，故 E＝I(Ra＋Rb)，E＝B1Lv， 解得v＝4t(m/s) 所以杆a做加速度为a＝4 m/s2的匀加速运动． 1 (2)杆 a 在 1 s 内运动的距离 d＝ at2＝2 m. 2
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【典例2】 如图所示，足够长的光滑平行金属导轨cd和ef 水平放置，在其左端连接倾角为θ＝37°的光滑金属导轨 ge、hc，导轨间距均为L＝1 m，在水平导轨和倾斜导轨上， 各放一根与导轨垂直的金属杆，金属杆与导轨接触良好．金 属杆a、b质量均为m＝0.1 kg，电阻Ra＝2 Ω、Rb＝3 Ω，其 余电阻不计．在水平导轨和斜面导轨区域分别有竖直向上和 竖直向下的匀强磁场B1、B2，且B1＝B2＝0.5 T．已知从t＝0 时刻起，杆a在外力F1作用下由静止开始水平向右运动，杆b 在水平向右的外力F2作用下始终保持静止状态，且F2＝0.75 ＋0.2t(N)．(sin 37°＝0.6，cos 37°＝0.8，g取10 m/s2)
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(1)求ab棒的加速度大小； (2)求磁感应强度B的大小； (1)1 m/s2 (2)2 T (3)18 J (4)5 s (3)若已知在前2 s内F做功W＝30 J，求前2 s内电路产生的焦 耳热； (4)求cd棒达到最大速度所需的时间． 答案
核心素养微专题6 电磁感应中的“杆+导轨”模型
(1)若涉及变力作用下运动问题，可选用动量守恒和能量守恒的方法解决。
(2)若涉及恒力或恒定加速度，一般选用动力学的观点。若涉及运动时间
问题也可选用动量定理求解。
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二轮 ·物理
[示例3] 如图所示，在大小为B的匀强磁场区域内跟磁场方向垂直的水 平面中有两根固定的足够长的金属平行导轨，在导轨上面平放着两根导 体棒ab和cd，两棒彼此平行，构成一矩形回路。导轨间距为l，导体棒的 质量都为m，电阻都为R，导轨部分电阻可忽略不计。设导体棒可在导 轨上无摩擦地滑行，初始时刻ab棒静止，给cd棒一个向右的初速v0，求： (1)当cd棒速度减为0.8v0时的加速度大小； (2)从开始运动到最终稳定，电路中产生的电能； (3)两棒之间距离增加量Δx的上限。
×mgsin θ＝ma，解得加速度大小为 2.5 m/s2，B 正确；金属杆滑至底端
的整个过程中，整个回路中产生的焦耳热为 mgh－12mv2m，电阻 R 产生的
13
二轮 ·物理
焦耳热一定小于 mgh－21mvm2 ，C 错误；金属杆达到最大速度后，根据受 力平衡可得 mgsin θ＝F 安＝BIL，得 I＝mgBsiLn θ＝neSv－，得v－＝ρgnseiBn θ， 其中 n 为单位体积的电子数，ρ 为金属杆的密度，所以杆中定向运动的 电荷沿杆长度方向的平均速度与杆的粗细无关，D 正确。 [答案] BD
8
二轮 ·物理
⑦ ⑧
二轮 ·物理
2．单杆“倾斜导轨”模型 匀强磁场与导轨垂直，磁感应强度为 B，导轨间距 L，导体棒 质量 m，电阻 R，导轨光滑，电阻不计(如图)
物理 模型
9
二轮 ·物理
棒 ab 由静止释放后下滑，此时 a＝gsin α，棒 ab 速度 v↑→
热点专题系列(六) 电磁感应中的“杆和导轨”模型
热点专题系列(六) 电磁感应中的“杆和导轨”模型热点概述：电磁感应中的“杆－轨”运动模型，是导体切割磁感线运动过程中动力学与电磁学知识的综合应用，此类问题是高考命题的重点。
[热点透析]单杆模型初态v0≠0v0＝0示意图质量为m、电阻不计的单杆ab以一定初速度v0在光滑水平轨道上滑动，两平行导轨间距为L轨道水平光滑，单杆ab质量为m，电阻不计，两平行导轨间距为L轨道水平光滑，单杆ab质量为m，电阻不计，两平行导轨间距为L，拉力F恒定轨道水平光滑，单杆ab质量为m，电阻不计，两平行导轨间距为L，拉力F恒定续表初态v0≠0v0＝0运动分析导体杆做加速度越来越小的减速运动，最终杆静止当E感＝E时，v最大，且v m＝EBL，最后以v m匀速运动当a＝0时，v最大，v m＝FRB2L2，杆开始匀速运动Δt时间内流入电容器的电荷量Δq＝CΔU＝CBLΔv电流I＝ΔqΔt＝CBLΔvΔt＝CBLa安培力F安＝BLI＝CB2L2a F－F安＝ma，a ＝Fm＋B2L2C，所以杆以恒定的加速度匀加速运动能量分析动能转化为内能，12m v2＝Q电能转化为动能和内能，E电＝12m v2m＋Q外力做功转化为动能和内能，W F＝12m v2m＋Q外力做功转化为电能和动能，W F＝E电＋12m v2注：若光滑导轨倾斜放置，要考虑导体杆受到重力沿导轨斜面向下的分力作用，分析方法与表格中受外力F时的情况类似，这里就不再赘述。
(2020·山东省聊城市一模)(多选)如图所示，宽为L的水平光滑金属轨道上放置一根质量为m的导体棒MN，轨道左端通过一个单刀双掷开关与一个电容器和一个阻值为R的电阻连接，匀强磁场的方向垂直于轨道平面向里，磁感应强度大小为B，电容器的电容为C，金属轨道和导体棒的电阻不计。
现将开关拨向“1”，导体棒MN在水平向右的恒力F作用下由静止开始运动，经时间t0后，将开关S拨向“2”，再经时间t，导体棒MN恰好开始匀速向右运动。
高中物理《电磁感应中的“杆+导轨”模型》典型题(精品答案)
《电磁感应中的“杆＋导轨”模型》典型题1．如图，在磁感应强度为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场中，金属杆MN 在平行金属导轨上以速度v向右匀速滑动，MN中产生的感应电动势为E1；若磁感应强度增为2B，其他条件不变，MN中产生的感应电动势变为E2.则通过电阻R的电流方向及E1与E2之比E1∶E2分别为( )A．c→a,2∶1 B．a→c,2∶1C．a→c,1∶2 D．c→a,1∶22．(多选)如图，水平放置的金属导体框abcd，ab、cd边平行、间距为l，导体框内均有垂直于框面、磁感应强度大小为B的匀强磁场，一单位长度电阻为r 的金属杆MN，与导轨成θ角，以速度v沿平行于cd的方向匀速滑动，金属杆滑动过程中与导轨接触良好，导轨框电阻不计，则( )A．M点电势低于N点电势B．闭合回路中磁通量的变化率为Bl vC．金属杆所受安培力的方向与运动方向相反D．金属杆所受安培力的大小为B2l v r3．如图所示，两根间距为l的光滑平行金属导轨与水平面夹角为α，图中虚线下方区域内存在磁感应强度为B的匀强磁场，磁场方向垂直于斜面向上．两金属杆质量均为m，电阻均为R，垂直于导轨放置．开始时金属杆ab处在距磁场上边界一定距离处，金属杆cd处在导轨的最下端，被与导轨垂直的两根小柱挡住．现将金属杆ab由静止释放，金属杆ab刚进入磁场便开始做匀速直线运动．已知重力加速度为g，则( )A．金属杆ab进入磁场时感应电流的方向为由a到bB．金属杆ab进入磁场时速度大小为2mgR sin αB2l2C．金属杆ab进入磁场后产生的感应电动势为mg sin αBlD．金属杆ab进入磁场后，金属杆cd对两根小柱的压力大小为零4．CD、EF是两条水平放置的电阻可忽略的平行金属导轨，导轨间距为L，在水平导轨的左侧存在磁感应强度方向垂直导轨平面向上的匀强磁场，磁感应强度大小为B，磁场区域的长度为d，如图所示．导轨的右端接有一电阻R，左端与一弯曲的光滑轨道平滑连接．将一阻值也为R的导体棒从弯曲轨道上h高处由静止释放，导体棒最终恰好停在磁场的右边界处．已知导体棒与水平导轨接触良好，且动摩擦因数为μ，则下列说法中正确的是( )A．电阻R的最大电流为Bd2ghRB．流过电阻R的电荷量为BdL RC．整个电路中产生的焦耳热为mghD．电阻R中产生的焦耳热为12mg(h－μd)5．(多选)如图所示，足够长的“U”形光滑金属导轨平面与水平面成θ角(0＜θ＜90°)，其中MN与PQ平行且间距为L，导轨平面与磁感应强度大小为B的匀强磁场垂直，导轨电阻不计．金属棒ab由静止开始沿导轨下滑，并与两导轨始终保持垂直且接触良好，ab棒接入电路的部分的电阻为R，当流过ab棒某一横截面的电荷量为q时，棒的速度大小为v，则金属棒ab在这一过程中( )A．a点的电势高于b点的电势B．ab棒中产生的焦耳热小于ab棒重力势能的减少量C．下滑的位移大小为qR BLD．受到的最大安培力大小为B2L2vR sin θ6．(多选)如图甲所示，水平面上两根足够长的金属导轨平行固定放置，间距为L，一端通过导线与阻值为R的电阻连接．导轨上放一质量为m的金属杆，金属杆、导轨的电阻均忽略不计，匀强磁场垂直导轨平面向下．用与导轨平行的恒定拉力F作用在金属杆上，杆最终将做匀速运动．当改变拉力的大小时，金属杆做匀速运动时的速度v也会变化，v和F的关系如图乙所示．下列说法正确的是( )A．金属杆在匀速运动之前做匀加速直线运动B．流过电阻R的电流方向为a→R→bC．由图象可以得出B、L、R三者的关系式为B2L2R＝23D．当恒力F＝3 N时，电阻R消耗的最大电功率为8 W7. 如图所示，两条足够长的平行金属导轨相距L，与水平面的夹角为θ，整个空间存在垂直于导轨平面的匀强磁场，磁感应强度大小均为B，虚线上方轨道光滑且磁场方向垂直导轨平面向上，虚线下方轨道粗糙且磁场方向垂直导轨平面向下．当导体棒EF以初速度v0沿导轨上滑至最大高度的过程中，导体棒MN一直静止在导轨上，若两导体棒质量均为m、电阻均为R，导轨电阻不计，重力加速度为g，在此过程中导体棒EF上产生的电热为Q，求：(1)导体棒MN受到的最大摩擦力；(2)导体棒EF上升的最大高度．8．如图甲所示，足够长的光滑导轨倾角为30°，间距L＝1 m，电阻不计，恒定的非匀强磁场方向垂直于斜面向下，电阻R＝1 Ω，导体棒ab质量m＝0.25 kg，其电阻r＝1 Ω，垂直于导轨放置．现导体棒ab从磁场上边界由静止下滑，测得导体棒所到达位置的磁感应强度B与导体棒在该位置速度之间的关系如图乙所示，(g取10 m/s2)(1)求导体棒下滑2 s时的速度和位移；(2)求导体棒下滑2 s内回路中产生的焦耳热．9．如图甲所示，两根足够长平行金属导轨MN、PQ相距为L，导轨平面与水平面夹角为α，金属棒ab垂直于MN、PQ放置在导轨上，且始终与导轨接触良好，金属棒的质量为m.导轨处于匀强磁场中，磁场的方向垂直于导轨平面斜向上，磁感应强度大小为B.金属导轨的上端与开关S、定值电阻R1和电阻箱R2相连．不计一切摩擦，不计导轨、金属棒的电阻，重力加速度为g.现在闭合开关S，将金属棒由静止释放．(1)判断金属棒ab中电流的方向；(2)若电阻箱R2接入电路的阻值为0，当金属棒下降高度为h时，速度为v，求此过程中定值电阻上产生的焦耳热Q；(3)当B＝0.40 T，L＝0.50 m，α＝37°时，金属棒能达到的最大速度v m随电阻箱R2阻值的变化关系，如图乙所示．取g＝10 m/s2，sin 37°＝0.60，cos 37°＝0.80.求R1的阻值和金属棒的质量m.10．如图所示，电阻不计、间距L＝1 m、足够长的光滑金属导轨ab、cd与水平面成θ＝37°角，导轨平面矩形区域efhg内分布着磁感应强度大小B＝1 T、方向垂直导轨平面向上的匀强磁场，边界ef、gh之间的距离D＝1.4 m．现将质量m＝0.1 kg、电阻R＝53Ω的导体棒P、Q相隔Δt＝0.2 s先后从导轨顶端由静止自由释放，P、Q在导轨上运动时始终与导轨垂直且接触良好，P进入磁场时恰好匀速运动，Q穿出磁场时速度为2.8 m/s.已知重力加速度g＝10 m/s2，sin 37°＝0.6，求：(1)导轨顶端与磁场上边界ef之间的距离s；(2)从导体棒P释放到Q穿出磁场的过程，回路中产生的焦耳热Q总．《电磁感应中的“杆＋导轨”模型》典型题参考答案1．解析：选C.杆MN向右匀速滑动，由右手定则判知，通过R的电流方向为a →c ；又因为E ＝BL v ，所以E 1∶E 2＝1∶2，故选项C 正确．2．(多选)解析：选BD.由右手定则可知M 点电势高于N 点电势，故A 错误．根据法拉第电磁感应定律可得E ＝ΔΦΔt ＝Bl v ，故B 正确．由左手定则知，金属杆所受安培力方向垂直于MN 斜向上，故C 错误．由E ＝Bl v ，I ＝E R ，R ＝l sin θr ，F ＝BI l sin θ，解得F ＝B 2l v r ，故D 正确．3．解析：选B.由右手定则可知，金属杆ab 进入磁场时产生的感应电流的方向为由b 到a ，故A 错误；因金属杆ab 刚进入磁场便开始做匀速直线运动，则有mg sin α＝B 2l 2v 2R ，解得v ＝2mgR sin αB 2l 2，故B 正确；金属杆ab 进入磁场后产生的感应电动势E ＝Bl v ，解得E ＝2mgR sin αBl，故C 错误；由左手定则可知，金属杆cd 受到的安培力与斜面平行且向下，则金属杆cd 对两根小柱的压力不为零，故D 错误．4．解析：选 D.由题图可知，导体棒刚进入磁场的瞬间速度最大，产生的感应电流最大，由机械能守恒有mgh ＝12m v 2，所以I ＝E 2R ＝BL v 2R ＝BL 2gh 2R ，A 错误；流过R 的电荷量为q ＝I t ＝ΔΦ2R ＝BLd 2R ，B 错误；由能量守恒定律可知整个电路中产生的焦耳热为Q ＝mgh －μmgd ，C 错误；由于导体棒的电阻也为R ，则电阻R 中产生的焦耳热为12Q ＝12mg (h －μd )，D 正确．5．(多选)解析：选ABC.由右手定则可知a 点相当于电源的正极，b 点相当于电源的负极，故A 正确；由能量守恒可知ab 棒重力势能的减少量等于ab 棒中产生的焦耳热与ab 棒的动能之和，故B 正确；由q ＝ΔΦR ＝BxL R 可得，下滑的位移大小为x ＝qR BL ，故C 正确；金属棒ab 在这一过程中受到的安培力大小为F ＝BIL ，I 最大为BL v R ，故最大安培力大小为B 2L 2v R ，故D 错误．6．(多选)解析：选BD.金属杆在匀速运动之前，随着运动速度的增大，由F 安＝B 2L 2v R可知金属杆所受的安培力增大，由牛顿第二定律可知金属杆的加速度减小，故金属杆做加速度减小的加速运动，选项A 错误；由楞次定律可知，流过电阻R 的电流方向为a →R →b ，选项B 正确；因为图象与横轴交点等于金属杆所受摩擦力的大小，故由图象可知金属杆所受的摩擦力为F f ＝1 N ，金属杆匀速运动时有F－F f ＝F 安＝B 2L 2v R ，则可得B 2L 2R ＝F －F f v ＝12，选项C 错误；当恒力F ＝3 N 时，金属杆受到的安培力大小为F 安＝F －F f ＝2 N ，金属杆匀速运动的速度为4 m/s ，所以金属杆克服安培力做功的功率P ＝8 W ，转化为电能的功率为8 W ，故电阻R 消耗的最大电功率为8 W ，选项D 正确．7.解析：(1)EF 获得向上初速度v 0时，产生感应电动势E ＝BL v 0，电路中电流为I ，由闭合电路的欧姆定律有I ＝E 2R ，此时对导体棒MN 受力分析，由平衡条件有F A ＋mg sin α＝F f ，F A ＝BIL ，解得F f ＝B 2L 2v 02R ＋mg sin θ.(2)导体棒EF上升过程MN一直静止，对系统由能的转化和守恒定律有12m v2＝mgh＋2Q，解得h＝m v20－4Q 2mg.答案：(1)B2L2v02R＋mg sin θ(2)m v20－4Q2mg8．解析：(1)由题图乙可知，棒下滑的任意状态有B2v＝0.5 T2·m·s－1对棒下滑过程中某一状态由牛顿第二定律得mg sin 30°－B2L2vR＋r＝ma代入数据可得导体棒的加速度a＝4 m/s2可见导体棒在斜面上做a＝4 m/s2的匀加速直线运动棒在2 s内的位移x＝12at2＝8 m2 s末的速度v＝at＝8 m/s(2)由能量守恒得mgx sin 30°＝12m v2＋Q代入数据解得Q＝2 J.答案：(1)8 m/s 8 m (2)2 J9．解析：(1)由右手定则可知，金属棒ab中的电流方向为由b到a.(2)由能量守恒定律知，金属棒减少的重力势能等于增加的动能和电路中产生的焦耳热，即mgh＝12m v2＋Q则Q＝mgh－12m v2.(3)金属棒达到最大速度v m时，切割磁感线产生的感应电动势：E ＝BL v m由闭合电路的欧姆定律得：I ＝E R 1＋R 2从b 端向a 端看，金属棒受力如图所示金属棒达到最大速度时，满足：mg sin α－BIL ＝0由以上三式得v m ＝mg sin αB 2L 2(R 2＋R 1)由图乙可知：斜率k ＝60－302 m·s －1·Ω－1＝15 m·s －1·Ω－1，纵轴截距v ＝30 m/s所以mg sin αB 2L 2R 1＝v ，mg sin αB 2L 2＝k解得R 1＝2.0 Ω，m ＝0.1 kg答案：(1)b →a (2)mgh －12m v 2 (3)2.0 Ω 0.1 kg10．解析：(1)设P 进入磁场时的速度为v 1，由法拉第电磁感应定律有E ＝BL v 1由闭合电路欧姆定律有I ＝E 2R ，安培力F ＝BIL ，P 匀速运动有F ＝mg sin θ，联立解得v 1＝2 m/s ，P 从ac 到ef 过程，由牛顿第二定律有a ＝g sin θ，由运动学公式有s ＝v 212a ，解得s ＝13 m ≈0.33 m.(2)P 进入磁场以速度v 1匀速运动，Δt ＝0.2 s 后，Q 恰好进入磁场，速度也为v 1＝2 m/s.之后，P 、Q 以加速度a 匀加速运动，P 出磁场以后继续以加速度a 匀加速运动，而Q 在安培力作用下减速运动，直到穿出磁场区域．P 在磁场中匀速运动的位移x 1＝v 1Δt ，此过程回路产生的焦耳热Q 1＝mgx 1sin θ，P 、Q 一起匀加速运动的位移x 2＝D －x 1，设P 刚好出磁场时，P 、Q 的速度为v ，由运动学公式有v 2－v 21＝2ax 2，解得v ＝4 m/s ，P 出磁场后Q 做减速运动，Q 出磁场时的速度v 2＝2.8 m/s ，运动的位移x 3＝x 1，Q 减速运动过程中回路产生的焦耳热Q 2＝mgx 3sin θ＋12m v 2－12m v 22，所以，全过程回路中的焦耳热为Q 总＝Q 1＋Q 2＝0.888 J.答案：(1)0.33 m (2)0.888 J。
4.8专题：电磁感应现象中“杆+导轨”模型
(2)电阻R上产生热量Q=I2Rt=0.075 J
答案：(1)2 T (2)0.075 J
探究三 倾斜轨道
两根足够长的直金属导轨平行放置在倾角为 α 的绝缘斜面上，导轨间距为 L，导轨间连接一电 阻R ，质量为m，电阻为r的金属棒 ab与导轨垂直 并接触良好，其余部分电阻不计，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。不计它们之间的摩擦，重力加速度 为g 。
光滑水平放置的金属导轨间距为 L，导轨间连接 一电阻 R，质量为 m，电阻为 r的金属棒ab与导轨 接触良好，其余部分电阻不计。平面内有垂直 纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B
问题3：施加恒定外力 F 后，能量如何变化？能不能 从能量的视角求ab棒的最大速度？
能量角度分析：
v
a
F安
v
E BLv
问题1：施加恒定外力F后，ab棒的加速度 a，速度v 如何变化？
动力学角度分析：
v
a
F安
v
E BLv
E I= Rr
F安 BIL
a
F F安 m
a、v同向
当F安=F时，a=0,速度达到最大vm匀速
解：运动特征：加速度减小的 加速运动，最终匀速。 F=F安=BIL=B2L2Vm/（R+r) 可得：vm=F(R+r)/B2L2
示。(g取10 m/s2)求：
(1)磁感应强度B;
(2)杆在磁场中下落0.1 s的
过程中电阻R产生的热量。
【规范解答】(1)由图像知,杆自由下落0.1 s进入磁场以v= 1.0 m/s做匀速运动产生的电动势E=BLv 杆中的电流I=
E Rr
杆所受安培力F安=BIL 由平衡条件得mg=F安 代入数据得B=2 T
电磁感应现象中的杆+导轨模型专题教案 学生
电磁感应现象中的“杆+导轨”模型专题1．导轨（1）导轨的形状：常见导轨的形状为U 形，还可以为圆形、三角形、三角函数图形等； （2）导轨的闭合性：导轨本身可以不闭合，也可闭合； （3）导轨电阻：不计、均匀分布或部分有电阻、串上外电阻； （4）导轨的放置：水平、竖直、倾斜放置等等．[例1]（2003·上海·22）如图1所示，OACO 为置于水平面内的光滑闭合金属导轨，O 、C 处分别接有短电阻丝（图中粗线表法），R 1= 4Ω、R 2=8Ω（导轨其它部分电阻不计）．导轨OAC 的形状满足方程y =2sin （3πx ）（单位：m ）．磁感强度B=0.2T 的匀强磁场方向垂直于导轨平面．一足够长的金属棒在水平外力F 作用下，以恒定的速率v=5.0m/s 水平向右在导轨上从O 点滑动到C 点，棒与导轨接触良好且始终保持与OC 导轨垂直，不计棒的电阻．求：（1）外力F 的最大值；（2）金属棒在导轨上运动时电阻丝R 1上消耗的最大功率； （3）在滑动过程中通过金属棒的电流I 与时间t 的关系． 2．金属棒（1）金属棒的受力情况：受安培力以外的拉力、阻力或仅受安培力；（2）金属棒的初始状态：静止或运动；（3）金属棒的运动状态：匀速、匀变速、非匀变速直线运动，转动； （4）金属棒割磁感线状况：整体切割磁感线或部分切割磁感线；（5）金属棒与导轨的连接：金属棒可整体或部分接入电路，即金属棒的有效长度问题． 3．磁场（1）磁场的状态：磁场可以是稳定不变的，也可以均匀变化或非均匀变化． （2）磁场的分布：有界或无界． 二、模型转换电磁感应现象考查的知识重点是法拉第电磁感应定律，根据法拉第电磁感应定律的表达式tBS nt nE ∆∆=∆∆Φ=)(，有下列四个模型转换： 1．B 变化，S 不变 （1）B 均匀变化图1①B 随时间均匀变化如果B 随时间均匀变化，则可以写出B 关于时间t 的表达式，再用法拉第电磁感应定律解题，如例2第（1）问．②B 随位置均匀变化B 随位置均匀变化的解题方法类似于B 随时间均匀变化的情形． （2）B 非均匀变化B 非均匀变化的情况在高中并不多见，如例2第（3）问．如果题目给出了B 非均匀变化的表达式，也可用后面给出的求导法求解．[例2]（2000·上海·23）如图2所示，固定于水平桌面上的金属框架cdef ，处在竖直向下的匀强磁场中，金属棒ab 搁在框架上，可无摩擦滑动．此时abed 构成一个边长为l 的正方形，棒的电阻为r ，其余部分电阻不计．开始磁感强度为B 0．（1）若从t =0时刻起，磁感强度均匀增加，每秒增量为k ，同时棒保持静止．求棒中的感应电流．在图上标出感应电流的方向；（2）在上述（1）情况中，始终保持棒静止，当t =t 1末时需加的垂直于棒的水平拉力为多大？ （3）若t =0时刻起，磁感强度逐渐减小，当棒以恒定速度v 向右做匀速运动时，可使棒中不产生感应电流，则磁感强度应怎样随时间变化（写出B 与t 的关系式）？2．B 不变，S 变化（1）金属棒运动导致S 变化金属棒在匀强磁场中做切割磁感线的运动时，其感应电动势的常用计算公式为BLv E ，此类题型较常见，如例3．[例3]（2002·上海·22）如图3所示，两条互相平行的光滑金属导轨位于水平面内，距离为l =0.2m ，在导轨的一端接有阻值为R =0.5Ω的电阻，在x ≥0处有一与水平面垂直的均匀磁场，磁感强度B =0.5T ．一质量为m =0.1kg 的金属直杆垂直放置在导轨上，并以v 0=2m/s 的初速度进入磁场，在安培力和一垂直于杆的水平外力F 的共同作用下做匀变速直线运动，加速度大小为a =2m/s 2、方向与初速度方向相反．设导轨和金属杆的电阻都可以忽略，且接触良好．求：（1）电流为零时金属杆所处的位置；（2）电流为最大值的一半时施加在金属杆上外力F 的大小和方向；（3）保持其他条件不变，而初速度v 0取不同值，求开始时F 的方向与初速度v 0取值的关系． （2）导轨变形导致S 变化R常常根据法拉第电磁感应定律解题，如例4.[例4] （2001·上海·22）如图4所示，半径为a 的圆形区域内有均匀磁场，磁感强度为B ＝0.2T ，磁场方向垂直纸面向里，半径为b 的金属圆环与磁场同心地放置，磁场与环面垂直，其中a ＝0.4m ，b ＝0.6m ，金属环上分别接有灯L 1、L 2，两灯的电阻均为R 0＝2Ω，一金属棒MN 与金属环接触良好，棒与环的电阻均忽略不计（1）若棒以v 0＝5m/s 的速率在环上向右匀速滑动，求棒滑过圆环直径OO ’的瞬时（如图所示），MN 中的电动势和流过灯L 1的电流．（2）撤去中间的金属棒MN 将右面的半圆环OL 2O ’以OO ’为轴向上翻转90º，若此时磁场随时间均匀变化，其变化率为π4=∆∆t B （T/s ），求L 1的功率．3. “双杆+导轨”模型[例5]足够长的光滑金属导轨E F ，P Q 水平放置，质量为m 电阻为R 的相同金属棒ab ，cd 与导轨垂直且接触良好，磁感强度为B 的匀强磁场垂直导轨平面向里如图5所示。
物理：电磁感应中杆——导轨模型专题教案
-7-
（ 2）将右面的半圆环 OL2O’以 OO’为轴向上翻转 90o后，圆环的有效面积为半
圆．其中 B 随时间是均匀变化的，注意此时灯 L1、 L2 是串联的．
区域内，存在着垂直穿过斜面向上的匀强磁场。现对
a
棒施以平行导轨斜向上的拉力，使它沿导轨匀速向上运
图 13
动，此时放在导轨下端的 b 棒恰好静止。当 a 棒运动到磁场的上边界 PQ 处时，撤
去拉力， a 棒将继续沿导轨向上运动一小段距离后再向下滑动， 此时 b 棒已滑离导
轨。当 a 棒再次滑回到磁场上边界 PQ 处时，又恰能沿导轨匀速向下运动。已知 a
F=IaLB+magsin θ （2 分） 又： IbLB=mgsin θ （1 分） 解得： F=3.5mgsin θ。 （1 分）
2 电磁感应现象考查的知识重点是法拉第电磁感应定律，根据法拉第电磁感
应定律的表达式 E n
n (BS) ,常见的题型有：
t
t
1．B 变化， S 不变
（ 1） B 均匀变化
R总
BLv =
3 sin（ 5
t）（A）
R总 4
3
L=2sin（ x）（m）且 x=vt， 3
电磁感应与力学综合题的解题策略 解决此类问题首先要建立“动→电→动”的思维顺序，可概括总结为：
(1) 找”电源”，用法拉第电磁感应定律和楞次定律求解电动势的大小和方向； (2) 画出等效电路图，求解回路中的电流的大小及方向； (3) 分析安培力对导体棒运动速度、加速度的动态过程，最后确定导体棒的最终运 动情况； (4) 列出牛顿第二定律或平衡方程求解．
a g sin 解得
B 2 L2v m(R r )
（1 分）
电磁感应中的“杆+导轨”模型
电磁感应中的“杆+导轨”模型电磁感应中的“杆+导轨”模型一、单棒模型阻尼式：在单棒模型中，导体棒相当于电源，根据洛伦兹力的公式，可以得到安培力的特点为阻力，并随速度减小而减小，加速度随速度减小而减小，最终状态为静止。
根据能量关系、动量关系和瞬时加速度，可以得到公式B2l2v R rF和q mv/Bl，其中q表示流过导体棒的电荷量。
需要注意的是，当有摩擦或者磁场方向不沿竖直方向时，模型的变化会受到影响。
举例来说，如果在电阻不计的光滑平行金属导轨固定在水平面上，间距为L、导轨左端连接一阻值为R的电阻，整个导轨平面处于竖直向下的磁感应强度大小为B的匀强磁场中，一质量为m的导体棒垂直于导轨放置，a、b之间的导体棒阻值为2R，零时刻沿导轨方向给导体棒一个初速度v，一段时间后导体棒静止，则零时刻导体棒的加速度为0，零时刻导体棒ab两端的电压为BLv，全过程中流过电阻R的电荷量为mv/Bl，全过程中导体棒上产生的焦耳热为0.二、发电式在发电式中，导体棒同样相当于电源，当速度为v时，电动势E＝Blv。
根据安培力的特点，可以得到公式22Blv/l＝Blv/(R＋r)。
加速度随速度增大而减小，最终特征为匀速运动。
在稳定后的能量转化规律中，F-BIl-μmg=m*a，根据公式可以得到a=-(F-μmg)/m、v=0时，有最大加速度，a=0时，有最大速度。
需要注意的是，当电路中产生的焦耳热为mgh时，电阻R中产生的焦耳热也为mgh。
1.如图所示，相距为L的两条足够长的光滑平行金属导轨MN、PQ与水平面的夹角为θ，N、Q两点间接有阻值为R的电阻。
整个装置处于磁感应强度为B的匀强磁场中，磁场方向垂直导轨平面向下。
将质量为m、阻值也为R的金属杆cd垂直放在导轨上，杆cd由静止释放，下滑距离x时达到最大速度。
重力加速度为g，导轨电阻不计，杆与导轨接触良好。
求：1)杆cd下滑的最大加速度和最大速度；2)上述过程中，杆上产生的热量。
最新2019高考物理 ：解题方法讲与练11“杆+导轨”模型问题(含解析)(含答案).doc
“杆＋导轨”模型问题李仕才专题十一:“杆＋导轨”模型问题1．“杆＋导轨”模型的特点“杆＋导轨”模型类试题命题的“基本元素”：导轨、金属棒、磁场．具有如下的变化特点：(1)对于导轨：①导轨的形状：常见导轨的形状为U形，还可以为圆形、三角形等；②导轨的闭合性：导轨本身可以不闭合，也可以闭合；③导轨电阻：电阻不计、均匀分布或部分有电阻、串联外电阻；④导轨的放置：水平、竖直、倾斜放置等．(2)对于金属棒：①金属棒的受力情况：受安培力以外的拉力、阻力或仅受安培力；②金属棒的运动状态：静止或运动；③金属棒的运动状态：匀速运动、匀变速运动、非匀变速直线运动或转动；④金属棒切割磁感线状况：整体切割磁感线或部分切割磁感线；⑤金属棒与导轨的连接：金属棒可整体或部分接入电路，即金属棒的有效长度问题．(3)对于磁场：①磁场的状态：磁场可以是稳定不变的，也可以是均匀变化或非均匀变化的；②磁场的分布：有界或无界．2．解决“杆＋导轨”模型问题的思路首先要选取金属棒为研究对象，分析棒的受力情况，分清变力和不变力，特别注意由于金属棒速度变化引起的感应电动势、感应电流、安培力的变化情况，然后根据牛顿第二定律分析金属棒的加速度和速度的变化情况，如果要求棒的最终运动情况，则应依据平衡条件或牛顿第二定律列方程．3．两种类型(1)电磁感应中不受恒定外力的“杆＋导轨”模型：例1.如图所示，两根相同的劲度系数为k的金属轻弹簧用两根等长的绝缘线悬挂在水平天花板上，弹簧的上端通过导线与阻值为R的电阻相连，弹簧的下端接一质量为m、长度为L、电阻为r的金属棒，金属棒始终处于宽度为d的垂直纸面向里磁感应强度为B的匀强磁场中，开始时弹簧处于原长，金属棒从静止释放，其下降高度为h时达到了最大速度．已知弹簧始终在弹性限度内，且当弹簧的形变量为x时，它的弹性势能为12kx2，不计空气阻力和其他电阻，求：(1)金属棒的最大速度是多少？(2)这一过程中R消耗的电能是多少？解析(1)当金属棒有最大速度时，加速度为零，金属棒受向上的弹力、安培力和向下的重力作用，有2kh＋BId＝mgI＝Bdv max R＋rv max＝mg－2kh R＋rB2d2.(2)据能量关系得mgh －2×⎝ ⎛⎭⎪⎪⎫12kh 2－12mv 2max ＝E 电又有R 、r 共消耗了总电能E R E r ＝Rr，E R ＋E r ＝E 电整理得R 消耗的电能为E R ＝RR ＋rE 电＝RR ＋r ⎣⎢⎢⎡⎦⎥⎥⎤mgh －kh 2－m mg －2kh 2R ＋r22B 4d 4. 答案 (1)mg －2khR ＋rB 2d 2(2)RR ＋r ⎣⎢⎢⎡⎦⎥⎥⎤mgh －kh 2－m mg －2kh 2R ＋r22B 4d 4(2)电磁感应中受恒定外力的“杆＋导轨”模型：例2.如图所示，质量为M的导体棒ab，垂直放在相距为l的平行光滑金属导轨上，导轨平面与水平面的夹角为θ，并处于磁感应强度大小为B、方向垂直于导轨平面向上的匀强磁场中，左侧是水平放置、间距为d的平行金属板，R和R x分别表示定值电阻和滑动变阻器的阻值，不计其他电阻．(1)调节R x＝R，释放导体棒，当棒沿导轨匀速下滑时，求通过棒的电流I及棒的速率v.(2)改变R x，待棒沿导轨再次匀速下滑后，将质量为m，带电荷量为＋q的微粒水平射入金属板间，若它能匀速通过，求此时的R x.解析(1)导体棒匀速下滑时，Mg sinθ＝BIl①I＝Mg sinθBl②设导体棒产生的感应电动势为E0 E0＝Blv③由闭合电路欧姆定律得：I＝E0R＋R x④联立②③④，得v＝2MgR sinθB2l2⑤(2)改变R x，由②式可知电流不变，设带电微粒在金属板间匀速通过时，板间电压为U，电场强度大小为E U＝IR x⑥E＝U d⑦mg＝qE⑧联立②⑥⑦⑧，得R x＝mBld qM sinθ.答案(1)Mg sinθBl2MgR sinθB2l2(2)mldBMq sinθ。
微专题 电磁感应中的“杆+导轨”模型
(2)0～4 s 内磁场均匀变化，产生的感应电动势 E1＝ΔΔBt L1L2＝0.5 V 由闭合电路欧姆定律得 I1＝RE＋1 r＝0.1 A 0～4 s 内小灯泡上产生的焦耳热 Q1＝I12Rt1＝0.16 J
4～5 s 内导体棒在磁场中匀速运动，导体棒运动的位移 x＝vt2＝1 m<L2， 导体棒没有出磁场，小灯泡上产生的焦耳热 Q2＝I22Rt2＝0.16 J 0～5 s 内小灯泡上产生的焦耳热 Q＝Q1＋Q2＝0.32 J. [答案] (1)0.8 kg 0.2 N (2)0.32 J
Q 总＝－W 安＝mgxsin θ－12mv2＝2 J
QR＝R＋R rQ 总＝1.5 J. 答案：(1)1 A b→a (2)1 N 平行于导轨平面向上 (3)1.5 J
3．如图所示，两电阻不计的足够长光滑平行金属导轨与水平面夹角为 θ， 导轨间距为 l，所在平面的正方形区域 abcd 内存在有界匀强磁场，磁感 应强度大小为 B，方向垂直于斜面向上．将阻值相同、质量均为 m 的相 同甲、乙两金属杆放置在导轨上，甲金属杆处在磁场的上边界，甲、乙 相距 l.从静止释放两金属杆的同时，在金属杆甲上施加一个沿着导轨的 外力，使甲金属杆在运动过程中始终沿导轨向下做匀加速直线运动，且 加速度大小为 a＝gsin θ，乙金属杆刚进入磁场时做匀速运动．
[典例 3] 如图所示，两根足够长的平行金属导轨固 定在倾角 θ＝30°的斜面上，导轨电阻不计，间距 L＝ 0.4 m．导轨所在空间被分成区域Ⅰ和Ⅱ，两区域的边 界与斜面的交线为 MN，Ⅰ中的匀强磁场方向垂直斜 面向下，Ⅱ中的匀强磁场方向垂直斜面向上，两磁场 的磁感应强度大小均为 B＝0.5 T．在区域Ⅰ中，将质量为 m1＝0.1 kg、电阻为 R1＝0.1 Ω 的金属条 ab 放在导轨上，ab 刚好不下滑．然后，在区域Ⅱ中将质量 为 m2＝0.4 kg、电阻为 R2＝0.1 Ω 的光滑导体棒 cd 置于导轨上，由静止开始下 滑．cd 在滑动过程中始终处于区域Ⅱ的磁场中，ab、cd 始终与导轨垂直且两端 与导轨保持良好接触，取 g＝10 m/s2.求：
电磁感应中杆-导轨模型专题
电磁感应中杆-导轨模型专题对杆在导轨上运动组成的系统，杆在运动中切割磁感线产生感应电动势，并受到安培力的作用改变运动状态最终达到稳定的运动状态，该系统称为“杆＋导轨”模型．“杆＋导轨”模型中杆有单杆和双杆之分，导轨可分为水平、竖直、倾斜导轨．求解此类问题的关键有三点：1．电路结构分析分析电路结构找出电源；用电器及其参数2．动力学分析(1)受力分析：杆一般会受到重力、支持力、摩擦力、拉力、安培力，确定哪些力为变力，哪些力为恒力，按效果把力分为动力和阻力(必要时使用力的合成与分解)(2)动态分析：由牛顿第二定律确定加速度的表达式，结合初速度判断杆是加速还是减速，按照下面模式分析：直至确定收尾状态(3)常见收尾状态：①静止；②匀速直线运动；③匀加速直线运动．●3．能量分析●①动能定理Ek′－Ek＝W安＋W其他力；●②棒的动能、电路中的电能、其他能的转化与守恒．一．单杆--导轨模型1、导轨（1）导轨的形状：常见导轨的形状为U形，还可以为圆形、三角形、三角函数图形等；（2）导轨的闭合性：导轨本身可以不闭合，也可闭合；（3）导轨电阻：不计、均匀分布或部分有电阻、串上外电阻；（4）导轨的放置：水平、竖直、倾斜放置等等．幻灯片5[例1] 如图1所示，OACO为置于水平面内的光滑闭合金属导轨，O、C处分别接有短电阻丝（图中粗线表法），R1= 4Ω、R2=8Ω（导轨其它部分电阻不计）．导轨OAC的形状满足方程)(3sin2mxyπ=（单位：m）．磁感强度B=0.2T的匀强磁场方向垂直于导轨平面．一足够长的金属棒在水平外力F作用下，以恒定的速率v=5.0m/s水平向右在导轨上从O点滑动到C点，棒与导轨接触良好且始终保持与OC导轨垂直，不计棒的电阻．求：（1）外力F的最大值；（2）金属棒在导轨上运动时电阻丝R1上消耗的最大功率；（3）在滑动过程中通过金属棒的电流I与时间t的关系．解析：本题难点在于导轨呈三角函数图形形状，金属棒的有效长度随时间而变化，但第（1）（2）问均求的是某一状态所对应的物理量，降低了一定的难度．解第（3）问时可根据条件推导出外力F 的表达式及电流I 与时间t 的关系式，由三角函数和其他条件求出需要的量即可．（1）金属棒匀速运动F 外=F 安 ，当安培力为最大值时，外力有最大值．∵E=BLv ， 总R E I = ， F 安=BIL=总R vL B 22即当L 取最大值时，安培力有最大 Lmax=2m22sin=π Ω382121R R R R ＝＝＋总R代入数据得Fmax=0.3（N ）（2）R1、R2相并联，由电阻丝R1上的功率121R E P =，可知当max L L =时P1有最大功率，即121R E P =m 22sin =π总R v L B 22（W ）图1图1（3）金属棒与导轨接触点间的长度随时间变化)(sin 23m x L π=且x=vt ，E=BLv)(35sin 43B A t R lV R E I π＝＝总总=∴A ．随着ab 运动速度的增大，其加速度也增大B ．外力F 对ab 做的功等于电路中产生的电能C ．当ab 做匀速运动时，外力F 做功的功率等于电路中的电功率D ．无论ab 做何种运动，它克服安培力做的功一定等于电路中产生的电能设ab 的速度为v ，运动的加速度a ＝F －B 2l 2v R m ，随着v 的增大,ab 由静止先做加速度逐渐减小的加速运动,当a ＝0后做匀速运动，则A 选项错误；由能量守恒知，外力F 对ab 做的功等于电路中产生的电能和ab 增加的动能之和，ab 克服安培力做的功一定等于电路中产生的电能，则B 选项错误，D 选项正确；答案CD2. 如图2所示,水平放置的光滑平行金属导轨上有一质量为m 的金属棒ab .导轨的一端连接电阻R ，其他电阻均不计,磁感应强度为B 的匀强磁场垂直于导轨平面向下,金属棒ab 在一 水平恒力F 作用下由静止开始向右运动．则 ( )。
高考物理大复习电磁感应第节微专题电磁感应中的“杆导轨”模型课件
(1)cd 下滑的过程中，ab 中的电流方向； (2)ab 刚要向上滑动时，cd 的速度 v 多大； (3)从 cd 开始下滑到 ab 刚要向上滑动的过程中，cd 滑动的距 离 x＝3.8 m，此过程中 ab 上产生的热量 Q 是多少．
解析：(1)由右手定则可判断出 cd 中的电流方向为由 d 到 c， 则 ab 中电流方向为由 a 流向 b.
答案：(1)3Bm2LgR2
9m2g2R (2) 4B2L2
(3)32mgs－94mB3g4L2R4 2
考点三 双杆模型
物 理 模 型
“双杆”模型分为两类：一类是“一动一静”，甲杆静 止不动，乙杆运动，其实质是单杆问题，不过要注意 问题包含着一个条件：甲杆静止，受力平衡．另一种 情况是两杆都在运动，对于这种情况，要注意两杆切 割磁感线产生的感应电动势是相加还是相减．
第4节 微专题4 电磁感应中的“杆＋导轨”模型
“杆＋导轨”模型是电磁感应问题高考命题的“基本道 具”，也是高考的热点，考查的知识点多，题目的综合性强，物 理情景变化空间大，是我们复习中的难点．“杆＋导轨”模型又 分为“单杆”型和“双杆”型(“单杆”型为重点)；导轨放置方 式可分为水平、竖直和倾斜；杆的运动状态可分为匀速、匀变 速、非匀变速运动等．
E＝BLvm，I＝2ER， F＝BIL＋mgsin θ，解得 vm＝3Bm2LgR2 ，
(2)PL＝I2R，解得 PL＝94mB22gL2R2 . (3)设整个电路放出的电热为 Q，由能量守恒定律有 F·2s＝Q＋mgsin θ·2s＋12mv2m， 由题意可知 Q1＝Q2 ，解得 Q1＝32mgs－9m4B3g4L2R4 2.
(1)金属棒能达到的最大速度 vm； (2)灯泡的额定功率 PL； (3)若金属棒上滑距离为 s 时速度恰达到最大，求金属棒由静 止开始上滑 2s 的过程中，金属棒上产生的电热 Q1.
2025高考物理总复习电磁感应中的“杆—轨道”模型
解析 设导轨间距为 L，释放后电容器充电，电路中有充电电 流 i，棒受到向上的安培力，设瞬时加速度为 a，根据牛顿第二 定律得 mg－iLB＝ma，i＝ΔΔQt ＝C·ΔΔtU＝C·BΔLtΔv＝CBLa，由此 得 mg－BL·CBLa＝ma，解得 a＝m＋mBg2L2C，可见棒的加速度 不变，做匀加速直线运动，v＝at，Uab＝BLv＝BLat，故 A、C 错误；Ek＝21mv2＝12m×2ax，故 B 正确；q＝CUab＝BCLat，与时间成正比，而 棒做匀加速运动，故与位移不是正比关系，故 D 错误。
加速运动，稳定时，两杆的加速 变加速运动，稳定时，两杆的
度均为零，以相等的速度做匀速 加速度均为零，两杆的速度之
运动
比为1∶2
2.初速度为零，一杆受到恒定水平外力 光滑的平行导轨
不光滑平行导轨
示 意 质量m1＝m2 图 电阻r1＝r2
长度L1＝L2
摩擦力Ff1＝Ff2 质量m1＝m2 电阻r1＝r2 长度L1＝L2
析 v↓⇒F↓⇒a↓，当 v＝0 速度 a↓，当 E 感＝ －F 安＝ma 知 a↓， 安培力 F 安＝ILB＝CB2L2a
时，F＝0，a＝0，杆保 持静止
E 时，v 最大，且 vm ＝BEL
当 a＝0 时，v 最大， F－F
vm＝BF2RL2
安＝ma，a＝m＋BF2L2C，所以杆
以恒定的加速度做匀加速运动
第十一章 电磁感应
增分微点10 电磁感应中的“杆—轨道”模型
一、“单杆＋导轨”模型 “单杆＋导轨”模型的四种典型情况(不计单杆的电阻)
v0≠0、 轨道水平光滑
示 意 图
v0＝0、轨道水平光滑
运 动 分
导体杆以速度 v 切割磁
电磁感应现象中的杆+导轨模型专题教案学生
电磁感应现象中的杆+导轨模型专题教案学生电磁感应现象中的“杆+导轨”模型专题1．导轨（1）导轨的形状：常见导轨的形状为U形，还可以为圆形、三角形、三角函数图形等；（2）导轨的闭合性：导轨本身可以不闭合，也可闭合；（3）导轨电阻：不计、均匀分布或部分有电阻、串上外电阻；（4）导轨的放置：水平、竖直、倾斜放置等等．[例1]（20XX年上海22）如图1所示，OACO为置于水平面内的光滑闭合金属导轨，O、C处分别接有短电阻丝（图中粗线表法），R1= 4Ω、R2=8Ω（导轨其它部分电阻不计）．导轨OAC 的形状满足方程y=2sin（x）（单位：m）．磁感强度B=0.2T的匀强磁场方向垂直于导轨平面．一足够长的金属棒在水平外力F3作用下，以恒定的速率v=5.0m/s水平向右在导轨上从O点滑动到C点，棒与导轨接触良好且始终保持与OC导轨垂直，不计棒的电阻．求：（1）外力F的最大值；（2）金属棒在导轨上运动时电阻丝R1上消耗的最大功率；（3）在滑动过程中通过金属棒的电流I与时间t的关系．2．金属棒（1）金属棒的受力情况：受安培力以外的拉力、阻力或仅受安培力；（2）金属棒的初始状态：静止或运动；（3）金属棒的运动状态：匀速、匀变速、非匀变速直线运动，转动；（4）金属棒割磁感线状况：整体切割磁感线或部分切割磁感线；（5）金属棒与导轨的连接：金属棒可整体或部分接入电路，即金属棒的有效长度问题．3．磁场（1）磁场的状态：磁场可以是稳定不变的，也可以均匀变化或非均匀变化．（2）磁场的分布：有界或无界．二、模型转换电磁感应现象考查的知识重点是法拉第电磁感应定律，根据法拉第电磁感应定律的表达式图1E n(BS)，有下列四个模型转换：nt t1．B变化，S不变（1）B均匀变化①B随时间均匀变化如果B随时间均匀变化，则可以写出B关于时间t的表达式，再用法拉第电磁感应定律解题，如例2第（1）问．②B随位置均匀变化B随位置均匀变化的解题方法类似于B随时间均匀变化的情形．（2）B非均匀变化B非均匀变化的情况在高中并不多见，如例2第（3）问．如果题目给出了B非均匀变化的表达式，也可用后面给出的求导法求解．[例2]（20XX年上海23）如图2所示，固定于水平桌面上的金属框架cdef，处在竖直向下的匀强磁场中，金属棒ab搁在框架上，可无摩擦滑动．此时abed构成一个边长为l的正方形，棒的电阻为r，其余部分电阻不计．开始磁感强度为B0．（1）若从t=0时刻起，磁感强度均匀增加，每秒增量为k，同时棒保持静止．求棒中的感应电流．在图上标出感应电流的方向；（2）在上述（1）情况中，始终保持棒静止，当t=t1末时需加的垂直于棒的水平拉力为多大？（3）若t=0时刻起，磁感强度逐渐减小，当棒以恒定速度v向右做匀速运动时，可使棒中不产生感应电流，则磁感强度应怎样随时间变化（写出B与t的关系式）？2．B不变，S变化（1）金属棒运动导致S变化金属棒在匀强磁场中做切割磁感线的运动时，其感应电动势的常用计算公式为E BLv，此类题型较常见，如例3．[例3]（20XX年上海22）如图3所示，两条互相平行的光滑金属导轨位于水平面内，距离为l=0.2m，在导轨的一端接有阻值为R=0.5Ω的电阻，在x≥0处有一与水平面垂直的均匀磁场，磁感强度B=0.5T．一质量为m=0.1kg的金属直杆垂直放置在导轨上，并以v0=2m/s的初速度进入磁场，在安培力和一垂直于杆的水平外力F的共同作用下做匀变速直线运动，加速度大小为a=2m/s2、方向与初速度方向相反．设导轨和金属杆的电阻都可以忽略，且接触良好．求：（1）电流为零时金属杆所处的位置；（2）电流为最大值的一半时施加在金属杆上外力F的大小和方向；（3）保持其他条件不变，而初速度v0取不同值，求开始时F的方向与初速度v0取值的关系．（2）导轨变形导致S变化R常常根据法拉第电磁感应定律解题，如例4.[例4] （20XX年上海22）如图4所示，半径为a的圆形区域内有均匀磁场，磁感强度为B＝0.2T，磁场方向垂直纸面向里，半径为b的金属圆环与磁场同心地放置，磁场与环面垂直，其中a＝0.4m，b＝0.6m，金属环上分别接有灯L1、L2，两灯的电阻均为R0＝2Ω，一金属棒MN与金属环接触良好，棒与环的电阻均忽略不计（1）若棒以v0＝5m/s的速率在环上向右匀速滑动，求棒滑过圆环直径OO’的瞬时（如图所示），MN中的电动势和流过灯L1的电流．（2）撤去中间的金属棒MN将右面的半圆环OL2O’以OO’为轴向上翻转90，若此时磁场随时间均匀变化，其变化率为3. “双杆+导轨”模型[例5]足够长的光滑金属导轨E F，P Q水平放置，质量为m 电阻为R的相同金属棒ab，cd与导轨垂直且接触良好，磁感强度为B的匀强磁场垂直导轨平面向里如图5所示。
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《"杆+导轨"模型》专题永安一中吴庆堂第一部分考情分析电磁感应现象部分的知识历来是高考的重点、热点，出题时可将力学、电磁学等知识溶于一体，能很好地考查学生的理解、推理、分析综合及应用数学处理物理问题的能力．通过近年高考题的研究，此部分每年都有“杆+导轨”模型的高考题出现。
涉及的问题主要有四个方面：一、电学问题：主要包括等效电路、法拉第电磁感应定律E=n△φ/△t、E=BLv、楞次定律、右手定则、闭合电路欧姆定律I=E/(R+r)、串并联电路基本规律、焦耳定律Q=I2Rt、电流定义式I=q/△t、安培力公式F=BIL、左手定则等等。
解决电磁感应电路问题的关键就是借鉴或利用相似原型来启发理解和变换物理模型，即把电磁感应的问题等效转换成稳恒直流电路，把产生感应电动势的那部分导体等效为电路.感应电动势的大小相当于电源电动势。
其余部分相当于外电路，并画出等效电路图.此时，处理问题的方法与闭合电路求解基本一致，惟一要注意的是电磁感应现象中，有时导体两端有电压，但没有电流流过，这类似电源两端有电势差但没有接入电路时，电流为零。
变换物理模型，是将陌生的物理模型与熟悉的物理模型相比较，分析异同并从中挖掘其在联系，从而建立起熟悉模型与未知现象之间相互关系的一种特殊解题方法。
巧妙地运用“类同”变换，“类似”变换，“类异”变换，可使复杂、陌生、抽象的问题变成简单、熟悉、具体的题型，从而使问题大为简化。
二、力学问题：主要包括受力分析、牛顿第二定律F合=ma、导体棒的运动状态变化过程分析和运动性质判断（a和v变化情况）。
分析的基本思路是：a与v方向相反或相同→v 减小或增大→E、I、F安均减小或增大→F合变化→a变化→……。
此类问题中力现象、电磁现象相互联系、相互制约和影响，其基本形式如下：三、能量问题：主要包括动能定理、能量转化和守恒定律等等。
分析的基本思路有两条：（一）是分析清楚整个过程中有哪几种形式的能量参与转化，哪些形式的能量增加了，哪些形式的能量减少了。
再利用能量守恒建立方程式；（二）是注意功不是能量，仅是能量转化的量度。
而且不同的力做的功量度了不同形式的能量转化，如安培力做的负功，其绝对值（即克服安培力做的功）量度了有多少其他形式的能转化为电能（如电磁阻尼），对纯电阻电路来说，这些电能又通过电流做功全部转化为能（即焦耳热）；相反，安培力做的正功量度了有多少电能转化为其他形式的能（如电磁驱动）。
而合外力做的功量度的是物体动能的变化，这就是动能定理。
所以，弄清了各种力做的功所量度的不同形式的能量转化，就可以利用功能关系如动能定理建立方程。
四、图像问题：主要包括电磁感应现象中所涉及的某个物理量与时间或位移的关系两种形式。
如B—t、φ—t、E—t、i—t、u—t、F—t、v—t、E—x、i—x、u—x、F—x、v—x等等。
基本要求有识别图像、求作图像、灵活应用图像三个层面。
分析的基本思路将在图像专题中详细介绍，这里就不再赘述。
第二部分命题演变“杆+导轨”模型类试题命题的“基本道具”：导轨、金属棒、磁场，其变化点有：1．导轨（1）导轨的形状：常见导轨的形状为U形，还有圆形、三角形、三角函数图形等；（2）导轨的闭合性：导轨本身可以不闭合，也可闭合；（3）导轨电阻：不计、均匀分布或部分有电阻、串上外电阻；（4）导轨的放置：水平、竖直、倾斜放置等等．[例1]（2003··22）如图1所示，OACO为置于水平面的光滑闭合金属导轨，O、C处分别接有短电阻丝（图中粗线表法），R1= 4Ω、R2=8Ω（导轨其它部分电阻不计）．导轨OAC 的形状满足方程y=2sin（πx/3）（单位：m）．磁感强度B=0.2T的匀强磁场方向垂直于导轨平面．一足够长的金属棒在水平外力F作用下，以恒定的速率v=5.0m/s水平向右在导轨上从O点滑动到C点，棒与导轨接触良好且始终保持与OC导轨垂直，不计棒的电阻．求：（1）外力F的最大值；（2）金属棒在导轨上运动时电阻丝R1上消耗的最大功率；（3）在滑动过程过金属棒的电流I与时间t的关系．思路点拨：思路点拨：本题难点在于导轨呈三角函数图形形状，金属棒的有效长度随时间而变化，但第（1）（2）问均求的是某一状态所对应的物理量，降低了一定的难度．解第（3）问时可根据条件推导出外力F的表达式及电流I与时间t的关系式，由三角函数和其他条件求出需要的量即可．2．金属棒（1）金属棒的受力情况：受安培力以外的拉力、阻力或仅受安培力；（2）金属棒的初始状态：静止或运动；（3）金属棒的运动状态：匀速、匀变速、非匀变速直线运动，转动；（4）金属棒切割磁感线状况：单棒或双棒；整体切割磁感线或部分切割磁感线；出现“双棒”时，一般是一动一静或一棒切割磁感线运动另一棒作不切割磁感线的运动。
（5）金属棒与导轨的连接：金属棒可整体或部分接入电路，即金属棒的有效长度问题．[例2]如右图甲所示，MN、PQ是两根足够长的固定平行金属导轨，两导轨间的距离为L，导轨平面与水平面的夹角为α，在整个导轨平面都有垂直于导轨平面斜向上方的匀强磁场，磁感应强度为B，在导轨的M、P端连接一个阻值为R的电阻，一根垂直于导轨放置的金属棒ab，质量为m，从静止释放开始沿导轨下滑．求ab棒的最大速度．(要求画出ab棒的受力图，已知ab与导轨间的动摩擦因数为μ，导轨和金属棒的电阻不计)思路点拨：本题考查电磁感应定律与力学知识的综合运用，涉及的知识面广，但物理状态可以分析清楚：导体受力、运动速度变化→感应电动势变化→感应电流变化→安培力变化→合外力变化→加速度变化；直到加速度等于零时，导体达稳定运动状态，速度最大，列出平衡方程求出最后结果．题后反思：解决此类问题首先要建立一个“动→电→动”的思维顺序。
此类问题中力现象、电磁现象相互联系、相互制约和影响，其基本形式如下：分析方法和步聚可概括为：（1）找准主动运动（即切割磁感线）者，用法拉第电磁感应定律和楞次定律求解电动势大小和方向.（2）根据等效电路图，求解回路电流大小及方向（3）分析导体棒的受力情况及导体棒运动后对电路中电学参量的“反作用”.（4）从宏观上推断终极状态（5）列出动力学方程或平衡方程进行求解.3．磁场（1）磁场的状态：磁场可以是稳定不变的，也可以均匀变化或非均匀变化．（2）磁场的分布：有界或无界．电磁感应现象考查的知识重点是法拉第电磁感应定律，根据法拉第电磁感应定律的表达式E=n△φ/△t=n△(BS)/ △t，有下列四个模型转换：Ⅰ。
B变化，S不变①B随时间均匀变化如果B随时间均匀变化，则可以写出B关于时间t的表达式，再用法拉第电磁感应定律解题．【例3】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R1=2R的电阻连接成闭合回路，线圈的半径为r1，在线圈中半径为r2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t0和B0，导线的电阻不计，求0至t1时间（1）通过电阻R1上的电流大小和方向；（2）通过电阻R1上的电量q及电阻R1上产生的热量Q。
②B随时间非均匀变化B非均匀变化的情况在高中并不多见，如例4第（3）问．如果题目给出了B非均匀变化的表达式，也可用后面给出的求导法求解．[例4]（2000··23）如图所示，固定于水平桌面上的金属框架cdef，处在竖直向下的匀强磁场中，金属棒ab搁在框架上，可无摩擦滑动．此时abed构成一个边长为l的正方形，棒的电阻为r，其余部分电阻不计．开始磁感强度为B0．（1）若从t=0时刻起，磁感强度均匀增加，每秒增量为k，同时棒保持静止．求棒中的感应电流．在图上标出感应电流的方向；（2）在上述（1）情况中，始终保持棒静止，当t=t1末时需加的垂直于棒的水平拉力为多大？（3）若t=0时刻起，磁感强度逐渐减小，当棒以恒定速度v向右做匀速运动时，可使棒中不产生感应电流，则磁感强度应怎样随时间变化（写出B与t的关系式）？思路点拨：将加速度的定义式和电磁感应定律的表达式类比，弄清k的物理意义，写出可与v t=v0+at相对照的B的表达式B=B0+kt；第（3）问中B、S均在变化，要能抓住产生感应电流的条件（①回路闭合；②回路中有磁通量的变化）解题．Ⅱ．B不变，S变化①金属棒运动导致S变化金属棒在匀强磁场中做切割磁感线的运动时，其感应电动势的常用计算公式为E=BLv，此类题型较常见，如例5．[例5]（2002··22）如图所示，两条互相平行的光滑金属导轨位于水平面，距离为l=0.2m，在导轨的一端接有阻值为R=0.5Ω的电阻，在x≥0处有一与水平面垂直的均匀磁场，磁感强度B=0.5T．一质量为m=0.1kg的金属直杆垂直放置在导轨上，并以v0=2m/s的初速度进入磁场，在安培力和一垂直于杆的水平外力F的共同作用下做匀变速直线运动，加速度大小为a=2m/s2、方向与初速度方向相反．设导轨和金属杆的电阻都可以忽略，且接触良好．求：（1）电流为零时金属杆所处的位置；（2）电流为最大值的一半时施加在金属杆上外力F的大小和方向；（3）保持其他条件不变，而初速度v 0取不同值，求开始时F 的方向与初速度v 0取值的关系． 思路点拨：杆在水平外力F 和安培力的共同作用下做匀变速直线运动，加速度a 方向向左．杆的运动过程：向右匀减速运动→速度为零→向左匀加速运动；外力F 方向的判断方法：先假设，再根据结果的正负号判断．②导轨变形或线框转动导致S 变化常常根据法拉第电磁感应定律解题（略）。
另外还可在S 不规则变化上做文章，如金属棒旋转、导轨呈三角形等等．4.“双杆+导轨”模型由于不涉及动量定理和动量守恒定律等容，也不涉及电源反接、串联和并联等问题，故目前涉及的“双棒+导轨”模型一般是双棒一动一静或一者切割磁感线运动而另一者做无切割磁感线运动。
[例6] 如图所示，足够长的光滑平行金属导轨ef 和gh 水平放置且相距L ，在其左端各固定一个半径为r 的四分之三金属光滑圆环，两圆环面平行且竖直。
在水平导轨和圆环上各放有一根质量为m ,电阻为R 与导轨垂直的金属杆ab 、cd ，其余电阻不计。
整个装置处于磁感应强度大小为B 、方向竖直向上的匀强磁场中。
当用水平向右的恒力mg F 3 拉细杆ab ，并最终达到匀速运动时，杆cd 恰好静止在圆环上某处，试求：（1）杆ab 做匀速运动时，回路中的感应电流的大小和方向；（2）杆ab 做匀速运动时的速度；（3）杆cd 静止的位置距圆环最低点的高度。
题后反思：电磁感应中的双金属棒导轨问题，由于受到考试说明的要求限制，一般是双棒一动一静或一者切割磁感线运动而另一者做无切割磁感线运动，问题的本质和分析方法与单棒+导轨的情形类似。