（新高考）2021届高考物理 小题必练25 电磁感应中的动力学与能量问题.docVIP

Page 10 小题必练25： 小题必练25：电磁感应中的动力学与能量问题 (1)导体棒切割磁感线运动时的动力学问题；(2)电磁感应中的能量转化问题；(2)电磁感应中的动量与能量问题。 例1．(2020·全国卷I·21)如图，U形光滑金属框abcd置于水平绝缘平台上，ab和dc边平行，和bc边垂直。ab、dc足够长，整个金属框电阻可忽略。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，MN与金属框保持良好接触，且与bc边保持平行。经过一段时间后(　　) A. 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bc边的距离趋于恒定值 【答案】BC 【解析】由bc边切割磁感线产生电动势，形成电流，使得导体棒MN受到向右的安培力，做加速运动，bc边受到向左的安培力，向右做加速运动。当MN运动时，金属框的bc边和导体棒MN一起切割磁感线，设导体棒MN和金属框的速度分别为v1、v2，则电路中的电动势E＝BL(v2－v1)，电流中的电流，金属框受到的安培力，与运动方向相反，导体棒MN受到的安培力，与运动方向相同，设导体棒MN和金属框的质量分别为m1、m2，则对导体棒MN有，对金属框有，初始速度均为零，则a1从零开始逐渐增加，a2从开始逐渐减小。当a1＝a2时，相对速度，大小恒定。整个运动过程用速度时间图象描述如图所示。综上可得，金属框的加速度趋于恒定值，安培力也趋于恒定值，BC正确；金属框的速度会一直增大，导体棒到金属框bc边的距离也会一直增大，AD错误。 例2．(2020·全国卷III·24)如图，一边长为l0的正方形金属框abcd固定在水平面内，空间存在方向垂直于水平面、磁感应强度大小为B的匀强磁场。一长度大于eq \r(2)l0的均匀导体棒以速率v自左向右在金属框上匀速滑过，滑动过程中导体棒始终与ac垂直且中点位于ac上，导体棒与金属框接触良好。已知导体棒单位长度的电阻为r，金属框电阻可忽略。将导体棒与a点之间的距离记为x，求导体棒所受安培力的大小随x（0≤x≤eq \r(2)l0）变化的关系式。 【解析】当导体棒与金属框接触的两点间棒的长度为l时，由法第电磁感应定律可知导体棒上感应电动势的大小为：E＝BLv 由欧姆定律可知流过导体棒的感应电流为 式中R为这一段导体棒的电阻。按题意有R＝rl 此时导体棒所受安培力大小为F＝BIl 由题设和几何关系有： 联立各式得 【点睛】用“四步法”分析电磁感应中的动力学问题：“源”的分析——分离出电路中由电磁感应所产生的电源，确定E和r；“路”的分析——弄清串并联关系，求出电流，确定安培力；“力”的分析——确定杆或线框受到的力，求合力；“运动”的分析——由运动和力的关系，确定运动模型。 1．如图所示，在一固定水平放置的闭合导体圆环上方，有一条形磁铁，从离地面高h处，由静止开始下落，最后落在水平地面上。磁铁下落过程中始终保持竖直方向，并从圆环中心穿过圆环，而不与圆环接触。若不计空气阻力。重力加速度为g，下列说法中正确的是(　　) A．在磁铁下落的整个过程中，圆环中的感应电流方向先逆时针后顺时针(从上向下看圆环) B．磁铁在整个下落过程中，受圆环对它的作用力先竖直向上后竖直向下 C．磁铁在整个下落过程中，它的机械能不变 D．磁铁落地时的速率一定等于eq \r(2gh) 【答案】A 【解析】当条形磁铁靠近圆环时，穿过圆环的磁通量增加，根据楞次定律可判断圆环中感应电流的方向为逆时针(从上向下看圆环)，当条形磁铁远离圆环时，穿过圆环的磁通量减小，根据楞次定律可判断圆环中感应电流的方向为顺时针(从上向下看圆环)，A项正确；根据楞次定律的推论“来拒去留”原则，可判断磁铁在整个下落过程中，受圆环对它的作用力始终竖直向上，B项错误；磁铁在整个下落过程中，由于受到磁场力的作用，机械能不守恒，C项错误；若磁铁从高度h处做自由落体运动，其落地时的速度v＝eq \r(2gh)，但磁铁穿过圆环的过程中要产生一部分电热，根据能量守恒定律可知，其落地速度一定小于eq \r(2gh)，D项错误。 2．如图所示装置，电源的电动势E＝8 V，内阻r1＝0.5 Ω，两光滑金属导轨平行放置，间距d＝0.2 m，导体棒ab用等长绝缘细线悬挂并刚好与导轨接触，ab左侧为水平直轨道，右侧为半径R＝0.2 m的竖直圆弧导轨，圆心恰好为细线悬挂点，整个装置处于竖直向下的、磁感应强度B＝0.5 T的匀强磁场中。闭合开关后，导体棒沿圆弧运动，已知导体棒的质量m＝0.06 kg，电阻r2＝0.5 Ω，g取10 m/s2，不考虑运动过程中产生的反电动势，则(　　) A．导体棒ab所受的安培力方向始终与运动方向一