物理电磁感应现象的两类情况的专项培优练习题一、电磁感应现象的两类情况1．如图，在地面上方空间存在着两个水平方向的匀强磁场，磁场的理想边界ef 、gh 、pq 水平，磁感应强度大小均为B ，区域I 的磁场方向垂直纸面向里，区域Ⅱ的磁场方向向外，两个磁场的高度均为L ；将一个质量为m ，电阻为R ，对角线长为2L 的正方形金属线圈从图示位置由静止释放(线圈的d 点与磁场上边界f 等高，线圈平面与磁场垂直)，下落过程中对角线ac 始终保持水平，当对角线ac 刚到达cf 时，线圈恰好受力平衡；当对角线ac 到达h 时，线圈又恰好受力平衡(重力加速度为g ).求：(1)当线圈的对角线ac 刚到达gf 时的速度大小；(2)从线圈释放开始到对角线ac 到达gh 边界时，感应电流在线圈中产生的热量为多少?【答案】(1)1224mgR v B L = (2)322442512m g R Q mgL B L=- 【解析】 【详解】(1)设当线圈的对角线ac 刚到达ef 时线圈的速度为1v ，则此时感应电动势为：112E B Lv =⨯感应电流：11E I R=由力的平衡得：12BI L mg ⨯= 解以上各式得：1224mgRv B L =(2)设当线圈的对角线ac 刚到达ef 时线圈的速度为2v ，则此时感应电动势2222E B Lv =⨯感应电流：22E I R=由力的平衡得：222BI L mg ⨯=解以上各式得：22216mgRv B L =设感应电流在线圈中产生的热量为Q ,由能量守恒定律得：22122mg L Q mv ⨯-=解以上各式得：322442512m g R Q mgL B L=-2．如图，垂直于纸面的磁感应强度为B ，边长为 L 、电阻为 R 的单匝方形线圈 ABCD 在外力 F 的作用下向右匀速进入匀强磁场，在线圈进入磁场过程中，求： (1)线圈进入磁场时的速度 v 。

(2)线圈中的电流大小。

(3)AB 边产生的焦耳热。

【答案】(1)22FR v B L =；(2)F I BL=；(3)4FL Q = 【解析】 【分析】 【详解】(1)线圈向右匀速进入匀强磁场，则有F F BIL ==安又电路中的电动势为E BLv =所以线圈中电流大小为==E BLvI R R 联立解得22FRv B L =(2)根据有F F BIL ==安得线圈中的电流大小F I BL=(3)AB 边产生的焦耳热22()4AB F R L Q I R t BL v==⨯⨯将22FRv B L =代入得 4FL Q =3．如图所示，足够长且电阻忽略不计的两平行金属导轨固定在倾角为α=30°绝缘斜面上，导轨间距为l =0.5m 。

沿导轨方向建立x 轴，虚线EF 与坐标原点O 在一直线上，空间存在垂直导轨平面的磁场，磁感应强度分布为1()00.60.8()0T x B x T x -<⎧=⎨+≥⎩（取磁感应强度B垂直斜面向上为正）。

现有一质量为10.3m =kg ，边长均为l =0.5m 的U 形框cdef 固定在导轨平面上，c 点（f 点）坐标为x =0。

U 形框由金属棒de 和两绝缘棒cd 和ef 组成，棒de 电阻为10.2R =Ω。

另有一质量为20.1=m kg ，长为l =0.5m ，电阻为20.2R =Ω的金属棒ab 在离EF 一定距离处获得一沿斜面向下的冲量I 后向下运动。

已知金属棒和U 形框与导轨间的动摩擦因数均为3μ=。

（1）若金属棒ab 从某处释放，且I =0.4N·s ，求释放瞬间金属棒ab 上感应电流方向和电势差ab U ；（2）若金属棒ab 从某处释放，同时U 形框解除固定，为使金属棒与U 形框碰撞前U 形框能保持静止，求冲量I 大小应满足的条件。

（3）若金属棒ab 在x =－0.32m 处释放，且I =0.4N·s ，同时U 形框解除固定，之后金属棒ab 运动到EF 处与U 形框发生完全非弹性碰撞，求金属棒cd 最终静止的坐标。

【答案】（1）感应电流方向从b 到a ；0.1V;（2）0.48N ⋅s ；（3）2.5m 【解析】 【分析】 【详解】（1）金属棒获得冲量I 后，速度为24m/s Iv m == 根据右手定则，感应电流方向从b 到a ； 切割磁感线产生的电动势为1E B lv =其中11B =T ；金属棒ab 两端的电势差为12120.1V ab B lvU R R R ==+（2）由于ab 棒向下运动时，重力沿斜面的分力与摩擦力等大反向，因此在安培力作用下运动，ab 受到的安培力为2212212B l v F m a R R ==+做加速度减小的减速运动；由左手定则可知，cd 棒受到安培力方向沿轨道向上，大小为21212B B l v F R R =+安其中21T B =；因此获得冲量一瞬间，cd 棒受到的安培力最大，最容易发生滑动 为使线框静止，此时摩擦力沿斜面向下为最大静摩擦力，大小为11cos sin m f m g m g μαα==因此安培力的最大值为12sin m g θ； 可得最大冲量为()12122122sin 0.48m m g R R I B B l α+==N·s（3）当I =0.4N·s 时，金属棒获得的初速度为04/v m s =，其重力沿斜面分力与摩擦力刚好相等，在安培力作用下做加速度减小的减速，而U 形框在碰撞前始终处于静止； 设到达EF 时速度为1v ，取沿斜面向下为正，由动量定理得22212012B l vtm v m v R R -=-+ 其中0.32m vt x == 解得12m/s v =金属棒与U 形线框发生完全非弹性碰撞，由动量守恒得()11122m v m m v =+因此碰撞后U 形框速度为20.5m/s v =同理：其重力沿斜面的分力与滑动摩擦力等大反向，只受到安培力的作用，当U 形框速度为v 时，其感应电流为12de ab B lv B lvI R R -=+其中，de B ，ab B 分别为de 边和ab 边处的磁感应强度，电流方向顺时针，受到总的安培力为()2212deab de abB B l vF B Il B Il R R -=-=+其中，,0.8cd ab B B kl k -== 由动量定理得()24122120k l vtm m v R R -=-++ 因此向下运动的距离为()()12212242m m m v R R s k l ++==此时cd 边的坐标为x =2.5m4．如图所示，光滑导线框abfede 的abfe 部分水平，efcd 部分与水平面成α角，ae 与ed 、bf 与cf 连接处为小圆弧，匀强磁场仅分布于efcd 所在平面，方向垂直于efcd 平面，线框边ab 、cd 长均为L ，电阻均为2R ，线框其余部分电阻不计。

有一根质量为m 、电阻为R 的金属棒MN 平行于ab 放置，让它以初速水平向右运动在到达最高点的过程中，ab 边产生的热量为Q 。

求：(1)金属棒MN 受到的最大安培力的大小； (2)金属棒MN 刚进入磁场时，ab 边的发热功率； (3)金属棒MN 上升的最大高度。

【答案】(1)220A 2B L v F R =；(2)22208ab B L v P R=；(3)2082mv Q h mg -=【解析】 【分析】 【详解】(1)金属棒MN 刚冲上斜面时，速度最大，所受安培力最大。

此时电路中总电阻为22222R RR R R R R⋅=+=+总最大安培力2200A 2BLvB L v F BIL B L R R===总由楞次定律知，MN 棒受到的安培力方向沿导轨向下。

(2)金属棒MN 刚进入磁场时，MN 棒中的电流02BLv E I R R==总 则024ab BLv I I R==，2ab ab ab P I R = 解得22208ab B L v P R=(3)当金属棒MN 上升到最大高度的过程中，ab 边、cd 边产生的热量相等，即cd ab Q Q Q ==ab 边产生的热量2·2Q I Rt =金属棒MN 产生的热量2(2)MN Q I Rt =得2MN Q Q =ab 边、cd 边及MN 棒上产生的总热量4Q Q =总由动能定理201402mgh Q mv --=-解得2082mv Q h mg-=5．如图甲所示，两根足够长的光滑平行直导轨固定在水平面上，导轨左侧连接一电容器，一金属棒垂直放在导轨上，且与导轨接触良好。

在整个装置中加上垂直于导轨平面的磁场，磁感应强度按图乙所示规律变化。

0~t 0内在导体棒上施加外力使导体棒静止不动，t 0时刻撤去外力。

已知电容器的电容为C ，两导轨间距为L ，导体棒到导轨左侧的距离为d ，导体棒的质量为m 。

求： (1)电容器带电量的最大值； (2)导体棒能够达到的最大速度v m 。

【答案】（1）00CB Ld Q t =；（2）22022()CB L dv t m CB L =+（） 【解析】 【分析】 【详解】（1）电容器两极板的电压B U Ld t =电容器的带电量00CB t Q CU Ld== （2）电容器放电后剩余的电量Q CU ''=U BLv '=由动量定理得i BI L t mv ∑∆= Q Q I t '-=∆解得22022()CB L d v t m CB L =+（）6．如图1所示，在光滑的水平面上，有一质量m =1kg 、足够长的U 型金属导轨abcd ，间距L =1m 。

一电阻值0.5ΩR =的细导体棒MN 垂直于导轨放置，并被固定在水平面上的两立柱挡住，导体棒MN 与导轨间的动摩擦因数0.2μ=，在M 、N 两端接有一理想电压表（图中未画出）。

在U 型导轨bc 边右侧存在垂直向下、大小B =0.5T 的匀强磁场（从上向下看）；在两立柱左侧U 型金属导轨内存在方向水平向左，大小为B 的匀强磁场。

以U 型导轨bc 边初始位置为原点O 建立坐标x 轴。

t =0时，U 型导轨bc 边在外力F 作用下从静止开始运动时，测得电压与时间的关系如图2所示。

经过时间t 1=2s ，撤去外力F ，直至U 型导轨静止。

已知2s 内外力F 做功W =14.4J 。

不计其他电阻，导体棒MN 始终与导轨垂直，忽略导体棒MN 的重力。

求：（1）在2s 内外力F 随时间t 的变化规律；（2）在整个运动过程中，电路消耗的焦耳热Q ；（3）在整个运动过程中，U 型导轨bc 边速度与位置坐标x 的函数关系式。

【答案】（1）2 1.2F t =+；（2）12J ；（3）2v x =0≤x ≤4m ）；6.40.6v x =-324m m 3x ⎛⎫≤< ⎪⎝⎭；v =0（32m 3x ≥）【解析】 【分析】 【详解】（1）根据法拉第电磁感应定律可知：U BLv kt t ===得到：2U v t BL==根据速度与时间关系可知：22m/s a =对U 型金属导轨根据牛顿第二定律有：F IBL IBL ma μ--=带入数据整理可以得到：2 1.2F t =+（2）由功能关系，有f W Q W =+由于忽略导体棒MN 的重力，所以摩擦力为：A f F μ=则可以得到：fA Q WW μμ==则整理可以得到：(1)f W Q W Q μ=+=+得到：Q=12J（3）设从开始运动到撤去外力F 这段时间为12s t=，这段时间内做匀加速运动；①1t t …时，根据位移与速度关系可知：v ==1t t =时根据匀变速运动规律可知该时刻速度和位移为：14m/s v = 14m x =②1t t >时，物体做变速运动，由动量定理得到：1(1)BL q mv mv μ-+∆=-整理可以得到：2211(1)(1)(4)6.40.6BL q B L x v v v x m mRμμ+∆+-=-==--当323x m =时： 0v =综合上述，故bc 边速度与位置坐标x 的函数关系如下：v =0≤x≤4m ）6.40.6v x =-324m m 3x ⎛⎫≤<⎪⎝⎭ 0v =（32m 3x ≥）7．如图所示，两根粗细均匀的金属棒M N 、，用两根等长的、不可伸长的柔软导线将它们连接成闭合回路，并悬挂在光滑绝缘的水平直杆上，并使两金属棒水平。