2017-2018學(xué)年高考物理二輪復(fù)習(xí) 專(zhuān)題檢測(cè)(二十三)電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)和能量問(wèn)題

上傳人:xins****2008 文檔編號(hào):71919197 上傳時(shí)間:2022-04-07 格式:DOC 頁(yè)數(shù):10 大?。?58.50KB
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1、 專(zhuān)題檢測(cè)(二十三) 電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)和能量問(wèn)題 1.如圖甲是半徑為a的圓形導(dǎo)線(xiàn)框,電阻為R,虛線(xiàn)是圓的一條弦,虛線(xiàn)左右兩側(cè)導(dǎo)線(xiàn)框內(nèi)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間變化如圖乙所示,設(shè)垂直線(xiàn)框向里的磁場(chǎng)方向?yàn)檎?,求? (1)線(xiàn)框中0~t0時(shí)間內(nèi)的感應(yīng)電流大小和方向; (2)線(xiàn)框中0~t0時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量。 解析:(1)設(shè)虛線(xiàn)左側(cè)的面積為S1,右側(cè)的面積為S2,則根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律得,向里的變化磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為E1=S1 感應(yīng)電流方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较颉? 向外的變化磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為E2=S2 感應(yīng)電流方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较颉? 從題圖乙中可以得到=,= 感應(yīng)電流為I=== 方

2、向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较颉? (2)根據(jù)焦耳定律可得Q=I2Rt0=。 答案:(1) 逆時(shí)針?lè)较颉?2) 2.如圖所示,足夠長(zhǎng)的金屬導(dǎo)軌MN、PQ平行放置,間距為L(zhǎng),與水平面成θ角,導(dǎo)軌與定值電阻R1和R2相連,且R1=R2=R,R1支路串聯(lián)開(kāi)關(guān)S,原來(lái)S閉合。勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直導(dǎo)軌平面向上,有一質(zhì)量為m、有效電阻也為R的導(dǎo)體棒ab與導(dǎo)軌垂直放置,它與導(dǎo)軌粗糙接觸且始終接觸良好?,F(xiàn)將導(dǎo)體棒ab從靜止釋放,沿導(dǎo)軌下滑,當(dāng)導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)速率為v,此時(shí)整個(gè)電路消耗的電功率為重力功率的。已知重力加速度為g,導(dǎo)軌電阻不計(jì),求: (1)勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小和達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后導(dǎo)體棒ab中的電流強(qiáng)度I

3、; (2)如果導(dǎo)體棒ab從靜止釋放沿導(dǎo)軌下滑x距離后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),這一過(guò)程回路中產(chǎn)生的電熱是多少? 解析:(1)回路中的總電阻為:R總=R 當(dāng)導(dǎo)體棒ab以速度v勻速下滑時(shí)棒中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為: E=BLv 此時(shí)棒中的感應(yīng)電流為:I= 此時(shí)回路的總電功率為:P電=I2R總 此時(shí)重力的功率為:P重=mgvsin θ 根據(jù)題給條件有:P電=P重,解得:I= B= 。 (2)設(shè)導(dǎo)體棒ab與導(dǎo)軌間的滑動(dòng)摩擦力大小為Ff,根據(jù)能量守恒定律可知:mgvsin θ=Ffv 解得:Ff=mgsin θ 導(dǎo)體棒ab減少的重力勢(shì)能等于增加的動(dòng)能、回路中產(chǎn)生的焦耳熱以及克服摩擦力做功的和 m

4、gsin θ·x=mv2+Q+Ff·x 解得:Q=mgsin θ·x-mv2。 答案:(1)   (2)mgsin θ·x-mv2 3.如圖所示,兩根正對(duì)的平行金屬直軌道MN、M′N(xiāo)′位于同一水平面上,兩軌道之間的距離l=0.50 m。軌道的MM′端接一阻值為R=0.50 Ω的定值電阻。直軌道的右端處于豎直向下、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B=0.60 T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,磁場(chǎng)區(qū)域的右邊界為NN′,寬度為d=0.80 m。NN′端與兩條位于豎直面內(nèi)的半圓形光滑金屬軌道NP、N′P′平滑連接,兩半圓形軌道的半徑均為R0=0.50 m?,F(xiàn)有一導(dǎo)體桿ab靜止在距磁場(chǎng)的左邊界s=2.0 m處,其質(zhì)量m=0.20

5、 kg、電阻r=0.10 Ω。ab桿在與桿垂直的水平恒力F=2.0 N的作用下開(kāi)始運(yùn)動(dòng),當(dāng)運(yùn)動(dòng)至磁場(chǎng)的左邊界時(shí)撤去F,桿穿過(guò)磁場(chǎng)區(qū)域后,沿半圓形軌道運(yùn)動(dòng),結(jié)果恰好能通過(guò)半圓形軌道的最高位置PP′。已知桿始終與軌道垂直,桿與直軌道之間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.10,軌道電阻忽略不計(jì),取g=10 m/s2。求: (1)導(dǎo)體桿通過(guò)PP′后落到直軌道上的位置離NN′的距離; (2)導(dǎo)體桿穿過(guò)磁場(chǎng)的過(guò)程中通過(guò)電阻R的電荷量; (3)導(dǎo)體桿穿過(guò)磁場(chǎng)的過(guò)程中整個(gè)電路產(chǎn)生的焦耳熱。 解析:(1)設(shè)導(dǎo)體桿運(yùn)動(dòng)到半圓形軌道最高位置的速度為v,因?qū)w桿恰好能通過(guò)軌道最高位置, 由牛頓第二定律得mg=m 導(dǎo)體桿

6、通過(guò)PP′后做平拋運(yùn)動(dòng)x=vt 2R0=gt2 解得:x=1 m。 (2)q=·Δt =,=,ΔΦ=B·ld 聯(lián)立解得:q=0.4 C。 (3)設(shè)導(dǎo)體桿在F的作用下運(yùn)動(dòng)至磁場(chǎng)的左邊界時(shí)的速度為v1, 由動(dòng)能定理有(F-μmg)s=mv12 解得:v1=6.0 m/s 在導(dǎo)體桿從剛進(jìn)磁場(chǎng)到滑至最高位置的過(guò)程中,由能量守恒定律有 mv12=Q+mg×2R0+mv2+μmgd 解得:Q=0.94 J。 答案:(1)1 m (2)0.4 C (3)0.94 J 4.如圖甲所示,電阻不計(jì)、間距為l的平行長(zhǎng)金屬導(dǎo)軌置于水平面內(nèi),阻值為R的導(dǎo)體棒ab固定連接在導(dǎo)軌左端,另一阻值也為

7、R的導(dǎo)體棒ef垂直放置在導(dǎo)軌上,ef與導(dǎo)軌接觸良好,并可在導(dǎo)軌上無(wú)摩擦移動(dòng)。現(xiàn)有一根輕桿一端固定在ef中點(diǎn),另一端固定于墻上,輕桿與導(dǎo)軌保持平行,ef、ab兩棒間距為d。若整個(gè)裝置處于方向豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,且從某一時(shí)刻開(kāi)始,磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間t按圖乙所示的方式變化。 (1)求在0~t0時(shí)間內(nèi)流過(guò)導(dǎo)體棒ef的電流的大小與方向; (2)求在t0~2t0時(shí)間內(nèi)導(dǎo)體棒ef產(chǎn)生的熱量; (3)1.5t0時(shí)刻桿對(duì)導(dǎo)體棒ef的作用力的大小和方向。 解析:(1)在0~t0時(shí)間內(nèi),磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化率= 產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小E1==S=ld= 流過(guò)導(dǎo)體棒ef的電流大小I1== 由楞次定律可判

8、斷電流方向?yàn)閑→f。 (2)在t0~2t0時(shí)間內(nèi),磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化率= 產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小E2==S=ld= 流過(guò)導(dǎo)體棒ef的電流大小I2== 該時(shí)間內(nèi)導(dǎo)體棒ef產(chǎn)生的熱量Q=I22Rt0=。 (3)1.5t0時(shí)刻,磁感應(yīng)強(qiáng)度B=B0 導(dǎo)體棒ef受安培力:F=B0I2l= 方向水平向左 根據(jù)導(dǎo)體棒ef受力平衡可知桿對(duì)導(dǎo)體棒的作用力為 F′=-F=-,負(fù)號(hào)表示方向水平向右。 答案:(1),方向?yàn)閑→f (2) (3),方向水平向右 5.(2018屆高三·常州調(diào)研)如圖所示,水平面內(nèi)有兩根足夠長(zhǎng)的平行導(dǎo)軌L1、L2,其間距d=0.5 m,左端接有容量C=2 000 μF的

9、電容。質(zhì)量m=20 g的導(dǎo)體棒可在導(dǎo)軌上無(wú)摩擦滑動(dòng),導(dǎo)體棒和導(dǎo)軌的電阻不計(jì)。整個(gè)空間存在著垂直導(dǎo)軌所在平面的勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度B=2 T?,F(xiàn)用一沿導(dǎo)軌方向向右的恒力F1=0.44 N作用于導(dǎo)體棒,使導(dǎo)體棒從靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng),經(jīng)t時(shí)間后到達(dá)B處,速度v=5 m/s。此時(shí),突然將拉力方向變?yōu)檠貙?dǎo)軌向左,大小變?yōu)镕2,又經(jīng)2t時(shí)間后導(dǎo)體棒返回到初始位置A處,整個(gè)過(guò)程電容器未被擊穿。求 (1)導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)到B處時(shí),電容C上的電量; (2)t的大??; (3)F2的大小。 解析:(1)當(dāng)導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)到B處時(shí),電容器兩端電壓為 U=Bdv=2×0.5×5 V=5 V 此時(shí)電容器的帶電量 q=CU=2

10、 000×10-6×5 C=1×10-2 C。 (2)導(dǎo)體棒在F1作用下有F1-BId=ma1, 又I==,a1= 聯(lián)立解得:a1==20 m/s2 則t==0.25 s。 (3)由(2)可知導(dǎo)體棒在F2作用下,運(yùn)動(dòng)的加速度 a2=,方向向左, 又a1t2=- 將相關(guān)數(shù)據(jù)代入解得F2=0.55 N。 答案:(1)1×10-2 C (2)0.25 s (3)0.55 N 6.(2014·江蘇高考)如圖所示,在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中有一傾斜的平行金屬導(dǎo)軌,導(dǎo)軌間距為L(zhǎng),長(zhǎng)為3d,導(dǎo)軌平面與水平面的夾角為θ,在導(dǎo)軌的中部刷有一段長(zhǎng)為d的薄絕緣涂層。勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B,方向與導(dǎo)軌平面

11、垂直。質(zhì)量為m的導(dǎo)體棒從導(dǎo)軌的頂端由靜止釋放,在滑上涂層之前已經(jīng)做勻速運(yùn)動(dòng),并一直勻速滑到導(dǎo)軌底端。導(dǎo)體棒始終與導(dǎo)軌垂直,且僅與涂層間有摩擦,接在兩導(dǎo)軌間的電阻為R,其他部分的電阻均不計(jì),重力加速度為g。求: (1)導(dǎo)體棒與涂層間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ; (2)導(dǎo)體棒勻速運(yùn)動(dòng)的速度大小v; (3)整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,電阻產(chǎn)生的焦耳熱Q。 解析:(1)在絕緣涂層上導(dǎo)體棒受力平衡有mgsin θ=μmgcos θ 解得μ=tan θ。 (2)在光滑導(dǎo)軌上 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=BLv 感應(yīng)電流I= 安培力F安=BIL 導(dǎo)體棒受力平衡有F安=mgsin θ 解得v=。 (3)摩擦生熱QT=μ

12、mgdcos θ 由能量守恒定律有3 mgdsin θ=Q+QT+mv2 解得Q=2mgdsin θ-。 答案:(1)tan θ (2) (3)2mgdsin θ- [教師備選題] 1.如圖所示,光滑平行的水平金屬導(dǎo)軌MNPQ相距l(xiāng),在M點(diǎn)和P點(diǎn)間接一個(gè)阻值為R的電阻,在兩導(dǎo)軌間OO1O1′O′矩形區(qū)域內(nèi)有垂直導(dǎo)軌平面豎直向下、寬為d的勻強(qiáng)磁場(chǎng),磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。一質(zhì)量為m,電阻為r的導(dǎo)體棒ab,垂直擱在導(dǎo)軌上,與磁場(chǎng)左邊界相距d0?,F(xiàn)用一大小為F、水平向右的恒力拉ab棒,使它由靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng),棒ab在離開(kāi)磁場(chǎng)前已經(jīng)做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)(棒ab與導(dǎo)軌始終保持良好的接觸,導(dǎo)軌電阻不計(jì))。求:

13、 (1)棒ab在離開(kāi)磁場(chǎng)右邊界時(shí)的速度。 (2)棒ab通過(guò)磁場(chǎng)區(qū)域的過(guò)程中整個(gè)回路所消耗的電能。 解析:(1)棒在磁場(chǎng)中勻速運(yùn)動(dòng)時(shí),有F=FA=BIl, 再據(jù)I==,聯(lián)立解得v=。 (2)安培力做的功轉(zhuǎn)化成兩個(gè)電阻消耗的電能Q,據(jù)能量守恒定律可得 F(d0+d)=Q+mv2, 解得Q=F(d0+d)-。 答案:(1) (2)F(d0+d)- 2.如圖所示,MN、PQ為足夠長(zhǎng)的平行金屬導(dǎo)軌,間距L=0.50 m,導(dǎo)軌平面與水平面間夾角θ=37°,N、Q間連接一個(gè)電阻R=5.0 Ω,勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直于導(dǎo)軌平面向上,磁感應(yīng)強(qiáng)度B=1.0 T。將一根質(zhì)量為m=0.050 kg的金屬棒放在導(dǎo)

14、軌的ab位置,金屬棒及導(dǎo)軌的電阻不計(jì)?,F(xiàn)由靜止釋放金屬棒,金屬棒沿導(dǎo)軌向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終與導(dǎo)軌垂直,且與導(dǎo)軌接觸良好。已知金屬棒與導(dǎo)軌間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.50,當(dāng)金屬棒滑行至cd處時(shí),其速度大小開(kāi)始保持不變,位置cd與ab之間的距離s=2.0 m。已知g=10 m/s2,sin 37°=0.60,cos 37°=0.80。求: (1)金屬棒沿導(dǎo)軌開(kāi)始下滑時(shí)的加速度大??; (2)金屬棒到達(dá)cd處的速度大小; (3)金屬棒由位置ab運(yùn)動(dòng)到cd的過(guò)程中,電阻R產(chǎn)生的熱量。 解析:(1)設(shè)金屬棒開(kāi)始下滑時(shí)的加速度大小為a,則 mgsin θ-μmgcos θ=ma 解得a=2.0 m/s

15、2。 (2)設(shè)金屬棒到達(dá)cd位置時(shí)速度大小為v、通過(guò)金屬棒的電流為I,金屬棒受力平衡,有 mgsin θ=BIL+μmgcos θ I= 解得v=2.0 m/s。 (3)設(shè)金屬棒從ab運(yùn)動(dòng)到cd的過(guò)程中,電阻R上產(chǎn)生的熱量為Q,由能量守恒,有 mgssin θ=mv2+μmgscos θ+Q 解得Q=0.10 J。 答案:(1)2.0 m/s2 (2)2.0 m/s (3)0.10 J 3.(2018屆高三·福州五校聯(lián)考)如圖所示,兩條平行的光滑金屬導(dǎo)軌固定在傾角為θ的絕緣斜面上,導(dǎo)軌上端連接一個(gè)定值電阻。導(dǎo)體棒a和b放在導(dǎo)軌上,與導(dǎo)軌垂直并良好接觸。斜面上水平虛線(xiàn)PQ以下區(qū)

16、域內(nèi),存在著垂直穿過(guò)斜面向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。現(xiàn)對(duì)a棒施以平行導(dǎo)軌斜向上的拉力,使它沿導(dǎo)軌勻速向上運(yùn)動(dòng),此時(shí)放在導(dǎo)軌下端的b棒恰好靜止。當(dāng)a棒運(yùn)動(dòng)到磁場(chǎng)的上邊界PQ處時(shí),撤去拉力,a棒將繼續(xù)沿導(dǎo)軌向上運(yùn)動(dòng)一小段距離后再向下滑動(dòng),此時(shí)b棒已滑離導(dǎo)軌。當(dāng)a棒再次滑回到磁場(chǎng)上邊界PQ處時(shí),又恰能沿導(dǎo)軌勻速向下運(yùn)動(dòng)。已知a棒、b棒和定值電阻的阻值均為R,b棒的質(zhì)量為m,重力加速度為g,導(dǎo)軌電阻不計(jì)。求: (1)a棒在磁場(chǎng)中沿導(dǎo)軌向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,a棒中的電流Ia與定值電阻R中的電流IR之比; (2)a棒的質(zhì)量ma; (3)a棒在磁場(chǎng)中沿導(dǎo)軌向上運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的拉力F。 解析:(1)a棒在磁場(chǎng)中沿導(dǎo)軌

17、向上運(yùn)動(dòng)時(shí),設(shè)b棒中的電流為Ib,有 IRR=IbR ① Ia=IR+I(xiàn)b ② 由①②解得=。 ③ (2)a棒在PQ上方滑動(dòng)過(guò)程中機(jī)械能守恒,設(shè)a棒在PQ處向上滑動(dòng)的速度大小為v1,其與在PQ處向下滑動(dòng)的速度大小v2相等,即 v1=v2=v ④ 設(shè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,導(dǎo)軌間距為L(zhǎng),a棒在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 E=BLv ⑤ 當(dāng)a棒沿斜面向上運(yùn)動(dòng)時(shí), Ib== ⑥ IbLB=mgsin θ ⑦ a棒向下勻速運(yùn)動(dòng)時(shí),設(shè)a棒中的電流為Ia′,則 Ia′= ⑧ Ia′LB=magsin θ ⑨ 由④⑤⑥⑦⑧⑨解得ma=m。 (3)由題知,導(dǎo)體棒a沿導(dǎo)軌向上運(yùn)動(dòng)

18、時(shí),所受拉力為 F=IaLB+magsin θ 聯(lián)立以上各式解得F=mgsin θ。 答案:(1)2∶1 (2)m (3)mgsin θ 4.如圖所示,質(zhì)量為M的導(dǎo)體棒ab,垂直放在相距為l的平行光滑金屬導(dǎo)軌上,導(dǎo)軌平面與水平面的夾角為θ,并處于磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B、方向垂直于導(dǎo)軌平面向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,左側(cè)是水平放置、間距為d的平行金屬板,R和Rx分別表示定值電阻和滑動(dòng)變阻器的阻值,不計(jì)其他電阻。 (1)調(diào)節(jié)Rx=R,釋放導(dǎo)體棒,當(dāng)棒沿導(dǎo)軌勻速下滑時(shí),求通過(guò)棒的電流I及棒的速率v; (2)改變Rx,待棒沿導(dǎo)軌再次勻速下滑后,將質(zhì)量為m、帶電量為+q的微粒水平射入金屬板間,若它能勻

19、速通過(guò),求此時(shí)的Rx。 解析:(1)導(dǎo)體棒勻速下滑時(shí),有 Mgsin θ=Bil ① 可得I= ② 導(dǎo)體棒產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E0=Blv ③ 由閉合電路歐姆定律得I= ④ 聯(lián)立②③④解得v=。 ⑤ (2)改變Rx,由②式可知電流不變。設(shè)帶電微粒在金屬板間勻速通過(guò)時(shí),板間電壓為U,電場(chǎng)強(qiáng)度大小為E,則 U=IRx ⑥ E= ⑦ mg=qE ⑧ 聯(lián)立②⑥⑦⑧解得Rx=。 答案:(1)  (2) 5.(2014·福建高考)如圖,某一新型發(fā)電裝置的發(fā)電管是橫截面為矩形的水平管道,管道的長(zhǎng)為L(zhǎng)、寬為d、高為h,上下兩面是絕緣板,前后兩側(cè)面M、N是電阻可忽略的導(dǎo)體板,兩導(dǎo)體板與開(kāi)關(guān)

20、S和定值電阻R相連。整個(gè)管道置于磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B,方向沿z軸正方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中。管道內(nèi)始終充滿(mǎn)電阻率為ρ的導(dǎo)電液體(有大量的正、負(fù)離子),且開(kāi)關(guān)閉合前后,液體在管道進(jìn)、出口兩端壓強(qiáng)差的作用下,均以恒定速率v0沿x軸正向流動(dòng),液體所受的摩擦阻力不變。 (1)求開(kāi)關(guān)閉合前,M、N兩板間的電勢(shì)差大小U0; (2)求開(kāi)關(guān)閉合前后,管道兩端壓強(qiáng)差的變化Δp; (3)調(diào)整矩形管道的寬和高,但保持其他量和矩形管道的橫截面積S=dh不變,求電阻R可獲得的最大功率Pm及相應(yīng)的寬高比的值。 解析:(1)設(shè)帶電離子所帶的電荷量為q,當(dāng)其所受的洛倫茲力與電場(chǎng)力平衡時(shí),U0保持恒定,有 qv0B=q ① 得U0=Bdv0。 ② (2)設(shè)開(kāi)關(guān)閉合前后,管道兩端壓強(qiáng)差分別為p1、p2,液體所受的摩擦阻力均為f,開(kāi)關(guān)閉合后管道內(nèi)液體受到安培力為F安,有p1hd=f③ p2hd=f+F安 ④ F安=Bid ⑤ 根據(jù)歐姆定律,有I= ⑥ 兩導(dǎo)體板間液體的電阻r=ρ ⑦ 由②③④⑤⑥⑦式得Δp=。 ⑧ (3)電阻R獲得的功率為P=I2R ⑨ P=2R ⑩ 當(dāng)=時(shí) ? 電阻R獲得的最大功率Pm=。 ? 答案:(1)Bdv0 (2) (3)  10

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