题型专练四电磁感应中的单双杆模型-课件

题型专练四电磁感应中的单、双杆模型专题四

电路与电磁感应1.“导轨＋杆”模型是电磁感应中的常见模型，选择题和计算题均有考查.该模型以单杆或双杆在导轨上做切割磁感线运动为情景，综合考查电路、动力学、功能关系、动量守恒等知识.2.“导轨＋杆”模型又分为“单杆”型和“双杆”型；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，情景复杂，形式多变.3.在处理此类问题时，要以导体杆切割磁感线的速度为主线，由楞次定律、法拉第电磁感应定律和闭合电路欧姆定律分析电路中的电流，由牛顿第二定律分析导体杆的加速度及速度变化，由能量守恒分析系统中的功能关系，由动量定理中安培力的冲量分析电荷量.“导轨＋双杆”模型中还可能满足动量守恒定律.内容索引NEIRONGSUOYIN高考题型1电磁感应中的单杆模型高考题型2电磁感应中的双杆模型专题强化练高考题型1电磁感应中的单杆模型1.常见单杆情景及解题思路常见情景(导轨和杆电阻不计，以水平光滑导轨为例)过程分析三大观点的应用单杆阻尼式

设运动过程中某时刻的速度为v，加速度为a，a＝

，a、v反向，导体棒做减速运动，v↓⇒a↓，当a＝0时，v＝0，导体棒做加速度减小的减速运动，最终静止动力学观点：分析加速度能量观点：动能转化为焦耳热动量观点：分析导体棒的位移、通过导体棒的电荷量和时间单杆发电式(v0＝0)

设运动过程中某时刻棒的速度为v，加速度为a＝－

，F恒定时，a、v同向，随v的增加，a减小，当a＝0时，v最大，vm＝

；a恒定时，F＝

＋ma，F与t为一次函数关系动力学观点：分析最大加速度、最大速度能量观点：力F做的功等于导体棒的动能与回路中焦耳热之和动量观点：分析导体棒的位移、通过导体棒的电荷量含“源”电动式(v0＝0)

开关S闭合，ab棒受到的安培力F＝

，此时a＝

，速度v↑⇒E感＝BLv↑⇒I↓⇒F＝BIL↓⇒加速度a↓，当E感＝E时，v最大，且vm＝动力学观点：分析最大加速度、最大速度能量观点：消耗的电能转化为动能与回路中的焦耳热动量观点：分析导体棒的位移、通过导体棒的电荷量含“容”无外力充电式

充电电流减小，安培力减小，a减小，当a＝0时，导体棒匀速直线运动能量观点：动能转化为电场能(忽略电阻)含“容”有外力充电式(v0＝0)

电容器持续充电F－BIL＝ma，I＝

，ΔQ＝CΔU＝CBLΔv，a＝

，得I恒定，a恒定，导体棒做匀加速直线运动动力学观点：求导体棒的加速度a＝2.在电磁感应中，动量定理应用于单杆切割磁感线运动，可求解变力的时间、速度、位移和电荷量.即－BLq＋F其他·Δt＝mv2－mv1已知电荷量q，F其他为恒力，可求出变加速运动的时间.若已知位移x，F其他为恒力，也可求出变加速运动的时间.例1

(2019·天津卷·11)如图1所示，固定在水平面上间距为l的两条平行光滑金属导轨，垂直于导轨放置的两根金属棒MN和PQ长度也为l、电阻均为R，两棒与导轨始终接触良好.MN两端通过开关S与电阻为R的单匝金属线圈相连，线圈内存在竖直向下均匀增加的磁场，磁通量变化率为常量k.图中虚线右侧有垂直于导轨平面向下的匀强磁场，磁感应强度大小为B.PQ的质量为m，金属导轨足够长、电阻忽略不计.考题示例(1)闭合S，若使PQ保持静止，需在其上加多大的水平恒力F，并指出其方向；图1解析设线圈中的感应电动势为E，设PQ与MN并联的电阻为R并，有闭合S时，设线圈中的电流为I，设PQ中的电流为IPQ，有设PQ受到的安培力为F安，有F安＝BIPQl

⑤保持PQ静止，由受力平衡，有F＝F安

⑥联立①②③④⑤⑥式得方向水平向右.⑦(2)断开S，PQ在上述恒力作用下，由静止开始到速度大小为v的加速过程中流过PQ的电荷量为q，求该过程安培力做的功W.解析设PQ由静止开始到速度大小为v的加速过程中，PQ运动的位移为x，所用时间为Δt，回路中的磁通量变化为ΔФ，平均感应电动势为

，有⑧其中ΔФ＝Blx

⑨⑩根据电流的定义得⑪由动能定理，有⑫联立⑦⑧⑨⑩⑪⑫式得例2

(2019·浙江4月选考·22)如图2所示，倾角θ＝37°、间距l＝0.1m的足够长金属导轨底端接有阻值R＝0.1Ω的电阻，质量m＝0.1kg的金属棒ab垂直导轨放置，与导轨间的动摩擦因数μ＝0.45.建立原点位于底端、方向沿导轨向上的坐标轴x.在0.2m≤x≤0.8m区间有垂直导轨平面向上的匀强磁场.从t＝0时刻起，棒ab在沿x轴正方向的外力F作用下，从x＝0处由静止开始沿斜面向上运动，其速度v与位移x满足v＝kx(可导出a＝kv)，k＝5s－1.当棒ab运动至x1＝0.2m处时，电阻R消耗的电功率P＝0.12W，运动至x2

＝0.8m处时撤去外力F，此后棒ab将继续运动，最终返回至x＝0处.棒ab始终保持与导轨垂直，不计其他电阻，求：(提示：可以用F－x图像下的“面积”代表为F做的功，sin37°＝0.6)(1)磁感应强度B的大小；图2答案见解析解析x1＝0.2m时，金属棒的速度v1＝kx1＝1m/s电阻R上的功率P＝I2RE＝Blv1(2)外力F随位移x变化的关系式；答案见解析解析①0≤x<0.2m时，F－mgsinθ－μmgcosθ＝maa＝kvv＝kx可得F＝(2.5x＋0.96)N；②0.2m≤x≤0.8m时，F－mgsinθ－μmgcosθ－BIl＝ma联立可得F＝(3.1x＋0.96)N(3)在棒ab整个运动过程中，电阻R产生的焦耳热Q.答案见解析解析x2＝0.8m时，金属棒的速度v2＝kx2＝4m/s从x1＝0.2m处到x2＝0.8m处，由动能定理得作0.2m≤x≤0.8m时的F－x图像如图所示，则代入得Q1＝0.18J到达x2＝0.8m后减速上滑的加速度a1＝gsinθ＋μgcosθ＝9.6m/s2到达最高点后加速下滑的加速度a2＝gsinθ－μgcosθ＝2.4m/s2再次回到x2＝0.8m处时金属棒速度为v3v22＝2a1x′，v32＝2a2x′解得v3＝2m/s解得v4＝2m/s＝v3，可知金属棒进入磁场后做匀速直线运动，从x2＝0.8m处回到x1＝0.2m过程中，由动能定理得解得Q2＝0.144J故Q＝Q1＋Q2＝0.324J.命题预测1.(多选)(2020·福建福清市线上检测)如图3所示，左端接有阻值为R的定值电阻且足够长的平行光滑导轨CE、DF的间距为L，导轨固定在水平面上，且处在磁感应强度为B、竖直向下的匀强磁场中，一质量为m、电阻为r的导体棒ab垂直导轨放置在导轨上静止，导轨的电阻不计.某时刻给导体棒ab一个水平向右的瞬时冲量I，导体棒将向右运动，最后停下来，则此过程中图3A.导体棒做匀减速直线运动直至停止运动√√123解析导体棒获得向右的瞬时初速度后切割磁感线，回路中出现感应电流，导体棒ab受到向左的安培力，向右减速运动，由

＝ma，可知由于导体棒速度减小，则加速度减小，所以导体棒做的是加速度越来越小的减速运动，A错误；根据能量守恒定律可得Ek＝Q总，1231232.如图4所示，足够长的两平行光滑水平直导轨的间距为L，导轨电阻不计，垂直于导轨平面有磁感应强度大小为B、方向竖直向上的匀强磁场；导轨左端接有电容为C的电容器、开关S和定值电阻R；质量为m的金属棒垂直于导轨静止放置，两导轨间金属棒的电阻为r.初始时开关S断开，电容器两极板间的电压为U.闭合开关S，金属棒运动，金属棒与导轨始终垂直且接触良好.下列说法正确的是A.闭合开关S的瞬间，金属棒立刻开始向左运动B.闭合开关S的瞬间，金属棒的加速度大小为C.金属棒与导轨接触的两点间的最小电压为零D.金属棒最终获得的速度大小为√图4123123解析由左手定则可知，闭合开关S的瞬间，金属棒所受安培力方向向右，金属棒立刻获得向右的加速度，开始向右运动，A错误；当金属棒切割磁感线产生的电动势跟电容器两极板之间的电压相等时，金属棒中电流为零，此后，金属棒将匀速运动下去，两端的电压达到最小值，故金属棒与导轨接触的两点间的电压不会为零，C错误；1233.如图5所示，PQ、MN为足够长的两平行金属导轨(其电阻不计)，它们之间连接一个阻值为R＝8Ω的电阻，导轨间距为L＝1m.一质量为m＝0.1kg，电阻为r＝2Ω，长为1m的均匀金属杆水平放置在导轨上，它与导轨间的动摩擦因数μ＝

，导轨平面的倾角为θ＝30°，垂直导轨平面向上的匀强磁场的磁感应强度为B＝0.5T.今让金属杆AB由静止开始下滑，从杆开始下滑到恰好匀速运动的过程中经过杆的电荷量为q＝1C.取g＝10m/s2，求：(1)当AB下滑速度为2m/s时加速度a的大小；答案1.5m/s2123图5解析取AB杆为研究对象，其受力如图所示，mgsinθ－F安－Ff＝maFN－mgcosθ＝0摩擦力Ff＝μFN安培力F安＝BILE＝BLv当v＝2m/s时，a＝1.5m/s2123123(2)AB下滑的最大速度vm的大小；答案8m/s故AB做加速度减小的加速运动，a＝0时AB下滑的速度最大(3)AB从开始下滑到匀速运动过程R上产生的热量QR.答案0.64J而ΔΦ＝BLx设两电阻发热的和为QR＋Qr，电阻串联，则QR∶Qr＝R∶r解得：QR＝0.64J.123高考题型2电磁感应中的双杆模型1.常见双杆情景及解题思路常见情景(以水平光滑导轨为例)过程分析三大观点的应用双杆切割式

杆MN做变减速运动，杆PQ做变加速运动，稳定时，两杆的加速度均为零，以相同的速度匀速运动.对系统动量守恒，对其中某杆适用动量定理动力学观点：求加速度能量观点：求焦耳热动量观点：整体动量守恒求末速度，单杆动量定理求冲量、电荷量不等距导轨

杆MN做变减速运动，杆PQ做变加速运动，稳定时，两杆的加速度均为零，两杆以不同的速度做匀速运动，所围的面积不变.v1L1＝v2L2动力学观点：求加速度能量观点：求焦耳热动量观点：动量不守恒，可分别用动量定理联立末速度关系求末速度双杆切割式aPQ减小，aMN增大，当aPQ＝aMN时二者一起匀加速运动，存在稳定的速度差动力学观点：分别隔离两导体棒，

F－

＝mPQa，

＝mMNa，求加速度2.对于不在同一平面上运动的双杆问题，动量守恒定律不适用，可以用对应的牛顿运动定律、能量观点、动量定理进行解决.考题示例例3

(多选)(2019·全国卷Ⅲ·19)如图6，方向竖直向下的匀强磁场中有两根位于同一水平面内的足够长的平行金属导轨，两相同的光滑导体棒ab、cd静止在导轨上.t＝0时，棒ab以初速度v0向右滑动.运动过程中，ab、cd始终与导轨垂直并接触良好，两者速度分别用v1、v2表示，回路中的电流用I表示.下列图像中可能正确的是图6√√解析棒ab以初速度v0向右滑动，切割磁感线产生感应电动势，使整个回路中产生感应电流，判断可知棒ab受到与v0方向相反的安培力的作用而做变减速运动，棒cd受到与v0方向相同的安培力的作用而做变加速运动，它们之间的速度差Δv＝v1－v2逐渐减小，整个系统产生的感应电动势逐渐减小，回路中感应电流逐渐减小，最后变为零，即最终棒ab和棒cd的速度相同，v1＝v2，这时两相同的光滑导体棒ab、cd组成的系统在足够长的平行金属导轨上运动，水平方向上不受外力作用，由动量守恒定律有mv0＝mv1＋mv2，解得v1＝v2＝

，选项A、C正确，B、D错误.例4

(多选)(2020·全国卷Ⅰ·21)如图7，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√√图7解析当金属框在恒力F作用下向右加速运动时，bc边产生从c向b的感应电流i，金属框的加速度大小为a1，则有F－Bil＝Ma1；MN中感应电流从M流向N，MN在安培力作用下向右加速运动，加速度大小为a2，则有Bil＝ma2，当金属框和MN都运动后，金属框速度为v1，MN速度为v2，感应电流从0开始增大，则a2从零开始增加，由F安＝ma可知，安培力不再变化，则感应电流不再变化，MN与金属框的速度差不变，但MN的速度小于金属框的速度，则MN到金属框bc边的距离越来越大，故D错误.命题预测4.如图8所示，水平放置的两平行光滑金属导轨固定在桌面上，导轨间距为L，处在磁感应强度为B、竖直向下的匀强磁场中.桌面离地面的高度为H.初始时刻，质量为m的杆ab与导轨垂直且处于静止，距离导轨边缘为d，质量也为m的杆cd与导轨垂直，以初速度v0进入磁场区域，最终发现两杆先后落在地面上.已知两杆接入电路的电阻均为R，导轨电阻不计，两杆落地点之间的距离为s，重力加速度为g.图845(1)求ab杆从磁场边缘射出时的速度大小；45解析设ab、cd杆从磁场边缘射出时的速度分别为v1、v2，ab杆落地点到抛出点的水平距离为x1，cd杆落地到抛出点的水平距离为x2，则有且x2－x1＝s以v0的方向为正方向，根据动量守恒定律有mv0＝mv1＋mv24545(2)当ab杆射出时，求cd杆运动的距离；解析ab杆运动距离为d，对ab杆应用动量定理，有设cd杆运动距离为d＋Δx45(3)在两根杆相互作用的过程中，求回路中产生的电能.解析根据能量守恒定律，回路中产生的电能等于系统损失的机械能，455.如图9所示，足够长的水平轨道左侧b1b2～c1c2部分轨道间距为2L，右侧c1c2～d1d2部分的轨道间距为L，曲线轨道与水平轨道相切于b1b2，所有轨道均光滑且电阻不计.在水平轨道内有斜向下与竖直方向成θ＝37°的匀强磁场，磁感应强度大小为B＝0.1T.质量为M＝0.2kg的金属棒B垂直于导轨静止放置在右侧窄轨道上，质量为m＝0.1kg的金属棒A自曲线轨道上a1a2处由静止释放，两金属棒在运动过程中始终相互平行且与导轨保持良好接触，A棒总在宽轨上运动，B棒总在窄轨上运动.已知：两金属棒接入电路的有效电阻均为R＝0.2Ω，h＝0.2m，L＝0.2m，sin37°＝0.6，cos37°＝0.8，g＝10m/s2，求：图94545(1)金属棒A滑到b1b2处时的速度大小；答案见解析解析A棒在曲线轨道上下滑时，由机械能守恒定律得：解得v0＝2m/s.(2)金属棒B匀速运动的速度大小；45答案见解析解析选取水平向右为正方向，对A、B分别应用动量定理，对B：FB安cosθ·t＝MvB，对A：－FA安cosθ·t＝mvA－mv0，其中FA安＝2FB安，整理得：mv0－mvA＝2MvB，两棒最后匀速时，电路中无电流，此时回路总电动势为零，必有2BcosθLvA－BcosθLvB＝0，即vB＝2vA，45(3)在两棒整个运动过程中通过金属棒A某横截面的电荷量；答案见解析解析当金属棒A运动到水平轨道后，回路中开始有感应电流产生，此时金属棒B开始加速运动，通过A的电荷量与通过B的电荷量相等.在B加速过程中：∑(Bcosθ)iLΔt＝MvB－0，q＝∑iΔt，45(4)在两棒整个运动过程中金属棒A、B在水平导轨间扫过的面积之差.答案见解析其中磁通量变化量：ΔΦ＝BΔScosθ，45保分基础练专题强化练1.(多选)(2020·山东菏泽市4月一模)如图1所示，两足够长的光滑金属导轨竖直放置，相距为L，一理想电流表与两导轨相连，图中虚线的下方存在匀强磁场，匀强磁场与导轨平面垂直.一质量为m、有效电阻为R的导体棒在竖直向上的恒定外力F作用下由静止开始向上运动，导体棒在磁场中运动时，电流表示数逐渐增大，最终稳定为I.当导体棒运动到图中的虚线位置时，撤去外力F，此后导体棒还会继续上升一段时间，整个运动过程中，导体棒与导轨接触良好，且始终保持水平，不计导轨的电阻(虚线与导轨的上端距离足够大)，重力加速度为g.则图112345678√√12345678解析开始运动的瞬间，导体棒速度为0，此时只受恒力F和重力mg的作用，则由F－mg＝ma，解得a＝

－g，故A错误；当电流稳定时，导体棒加速度为零，则有F－mg－BIL＝0，解得B＝

，故B错误；123456782.(多选)(2020·湘赣皖长郡中学十五校高三第二次联考)如图2所示，固定轨道由倾角为θ的斜导轨与水平导轨用极短的圆弧导轨平滑连接而成，导轨所在空间存在方向竖直向上、磁感应强度大小为B的匀强磁场，两导轨间距为L，上端用阻值为R的电阻连接.在沿斜导轨向下的拉力(图中未画出)作用下，一质量为m、接入电路的有效电阻为R的金属杆MN从斜导轨上某一高度处由静止开始(t＝0)沿斜导轨匀加速下滑，经过时间t0杆MN滑至斜导轨的最底端P2Q2处，此时速度大小为v并撤去拉力，杆MN在水平导轨上减速运动直至停止，杆MN始终垂直于导轨并与导轨保持良好接触，导轨的电阻以及一切摩擦均不计.图212345678则下列说法正确的是√√√12345678解析经分析可知，杆MN下滑到P2Q2处时的速度最大，刚滑至水平导轨时回路中产生的感应电动势最大，且最大值为Em＝BLv，此时回路中通过的感应电流最大，在杆MN沿斜导轨下滑的过程中，穿过回路的磁通量的变化量为ΔΦ＝BLxcosθ，12345678撤去拉力后，杆MN在水平导轨上做减速运动，设某时刻其速度大小为v′，设此时杆MN的加速度大小为a，由牛顿第二定律有BIL＝ma设在趋近于零的时间Δt内，杆MN的速度变化的大小为Δv，12345678123456撤去拉力后，杆MN在水平导轨上做减速运动直到停止，783.(多选)(2020·湖南常德市高三二模)如图3所示，两条相距为L的光滑平行金属导轨位于水平面(纸面)内，其左端接一阻值为R的定值电阻，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.导体棒ab垂直导轨放置并接触良好，接入电路的电阻也为R.图3若给棒以平行导轨向右的初速度v0，当通过棒横截面的电荷量为q时，棒的速度减为零，此过程中棒发生的位移为x.则在这一过程中A.导体棒做匀减速直线运动√√12345678解析由于导体棒向右减速运动，则感应电动势减小，感应电流减小，所以导体棒受到的安培力减小，根据牛顿第二定律可知其加速度减小，故导体棒做变减速运动，故A错误；12345678根据能量守恒可知，棒的速度减为零的过程中，定值电阻R产生的热量为：故D正确.123456784.(多选)(2020·福建龙岩市检测)如图4所示，水平面上固定着两根相距L且足够长的光滑金属导轨，不计导轨电阻，导轨处于方向竖直向下、磁感应强度为B的匀强磁场中.相同的铜棒a、b平行地静止在导轨上且与导轨接触良好，每根铜棒的长度均等于两导轨的间距、电阻均为R、质量均为m.现给铜棒a一个平行于导轨向右的瞬时冲量I，关于此后的过程，下列说法正确的是争分提能练图4√√12345678解析选取水平向右为正方向，根据动量定理可知，铜棒a开始时速度v0＝

，根据左手定则判断安培力，可知此后铜棒a做减速运动，铜棒b做加速运动，所以回路中的感应电动势最大值Em＝BLv0，根据牛顿第二定律得BImL＝ma，12345678由题意知，铜棒a做减速运动，铜棒b做加速运动，当两铜棒速度相等时，回路中没有感应电流，两铜棒同时向右匀速运动，此时铜棒b的速度最大，根据动量守恒可知，I＝2mv，则v＝

，C正确；两铜棒共速后，回路中不再产生感应电流，123456785.(多选)(2020·安徽宣城市高三第二次调研)如图5，平行光滑金属导轨M、N固定在水平面上，处于竖直向下的匀强磁场中.完全相同的两金属棒P、Q搭放在导轨上，开始均处于静止状态.给P施加一与导轨平行的恒定拉力作用，运动中两金属棒始终与导轨垂直并与导轨接触良好.设导轨足够长，除两棒的电阻外其余电阻均不计.则两棒的速度及棒中的感应电流随时间变化的图像正确的是图5√√12345678123456解析P向右做切割磁感线运动，由右手定则判断知，回路中产生逆时针的感应电流，由左手定则判断可知，Q棒所受的安培力方向向右，故Q向右做加速运动；Q向右运动后，开始阶段，两杆的速度差增大，在回路中产生的感应电动势增大，感应电流增大，两杆所受的安培力都增大，则P的加速度减小，Q的加速度增大，当两者的加速度相等时，速度之差不变，感应电流不变，安培力不变，两杆均做加速度相同的匀加速运动，故A、D正确，B、C错误.786.如图6甲所示，将两根足够长、间距为L的平行光滑金属导轨固定在同一水平面内，左端接一阻值为R的电阻，与导轨垂直的虚线ef右边区域存在方向竖直向下的匀强磁场，质量为m的金属杆PQ静止在导轨上.现对杆施加一水平向右的恒定拉力，经过时间t，杆进入磁场并开始做匀速直线运动，杆始终与导轨垂直并接触良好，导轨和杆的电阻均不计.(1)求匀强磁场的磁感应强度大小B；图612345678解析设拉力大小为F，杆的加速度为a，进入磁场时的速度为v0，则F＝ma杆做匀加速直线运动，则v0＝at杆在磁场中做匀速直线运动，则F＝F安＝BILE＝BLv012345678(2)若杆进入磁场后的某时刻撤去拉力，杆运动的速度与此后的位移关系图像如图乙所示，求0～x0与x0～3x0两个过程中电阻R产生的热量之比.12345678解析撤去拉力后，由题图乙可知，杆在x＝x0处的速度大小为v＝123456781234567.如图7，两条平行导轨所在平面与水平地面间的夹角为θ，两导轨的间距为L.导轨上端接有一平行板电容器，电容为C.导轨处于匀强磁场中，磁感应强度大小为B、方向垂直于导轨平面向下.在导轨上放置一质量为m的金属棒，棒可沿导轨下滑，且在下滑过程中保持与导轨垂直并良好接触.已知金属棒与导轨之间的动摩擦因数为μ，重力加速度大小为g.忽略所有电阻，让金属棒从导轨上端由静止开始下滑，求：(1)电容器极板上积累的电荷量与金属棒速度大小的关系；答案Q＝CBLv图778解析设金属棒下滑的速度大小为v，则感应电动势为E＝BLv ①平行板电容器两极板之间的电势差U＝E ②设此时电容器极板上积累的电荷量为Q，则有Q＝CU ③联立①②③式得Q＝CBLv ④12345678(2)金属棒的速度大小随时间变化的关系.12345678解析设金属棒的速度大小为v时经历的时间为t，通过金属棒的电流为I.金