热点11 导体棒进出磁场的电磁感应模型（原卷版）-高考物理重点难点热点专题

热点11导体棒进出磁场的电磁感应模型热点11导体棒进出磁场的电磁感应模型1.高考命题中，电磁感应问题中导体棒进出磁场切割磁感线的问题，综合了法拉第电磁感应定律、楞次定律、安培力的公式，左手定则、右手定则、牛顿第二定律、动能定理、动量定理、能量守恒定律等规律，对学生的物理综合素养和能力要求较高。2.力电磁综合问题，分析清楚是因运动而产生电，还是为电而受力的问题。对导体棒，受力分析和运动分析，综合力学、电学、电磁感应解决问题。一.阻尼式单导体棒模型【模型如图】1．电路特点：导体棒相当于电源。当速度为时，电动势2．安培力的特点：安培力为阻力，并随速度减小而减小：3．加速度特点：加速度随速度减小而减小,4．运动特点：速度如图所示。a减小的减速运动5．最终状态:静止6．四个规律(1)全过程能量关系：,QUOTEQRQr速度为时的能量关系电阻产生的焦耳热(2)瞬时加速度：，(3)电荷量(4)动量关系：(安培力的冲量)安培力的冲量公式是①闭合电路欧姆定律②平均感应电动势：③位移：④①②③④得二．发电式单导体棒模型【模型如图】电路特点：导体棒相当于电源，当速度为时，电动势2．安培力的特点：安培力为阻力，并随速度增大而增大.3．加速度特点：加速度随速度增大而减小.4．运动特点：速度如图所示。做加速度减小的加速运动5．最终特征：匀速运动6．两个极值(1)时,有最大加速度：(2)时,有最大速度：7．稳定后的能量转化规律8．起动过程中的三个规律(1)动量关系：(2)能量关系：(3)电荷量9．几种变化(1)电路变化(2)磁场方向变化(3)导轨面变化（竖直或倾斜）10.若的作用下使导体棒做匀加速直线运动则随时间线性变化。证明：根据法拉第电磁感应定律..................................................................（1）闭合电路欧姆定律..................................................................(2)安培力F＝BIL...............................................................（3）由（1）（2）（3）得......................................（4）由牛顿第二定律.................................（5）得由运动学公式............................................(6)(5)(6)联立得....................................(7)由（7）式可以看出要让导体棒做匀加速直线运动所加外力必然随时间均匀变化即三、无外力等距双导体棒模型【模型如图】1．电路特点棒2相当于电源；棒1受安培力而加速起动,运动后产生反电动势.2．电流特点：随着棒2的减速、棒1的加速，两棒的相对速度变小，回路中电流也变小。时：电流最大，。时：电流3．两棒的运动情况安培力大小：两棒的相对速度变小,感应电流变小,安培力变小.棒1做加速度变小的加速运动，棒2做加速度变小的减速运动，最终两棒具有共同速度。4．两个规律(1)动量规律：两棒受到安培力大小相等方向相反,系统合外力为零,系统动量守恒.(2)能量转化规律：系统机械能的减小量等于内能的增加量.（类似于完全非弹性碰撞）两棒产生焦耳热之比：；5．几种变化：(1)初速度的提供方式不同(2)磁场方向与导轨不垂直(3)两棒都有初速度（两棒动量守恒吗？）(4)两棒位于不同磁场中（两棒动量守恒吗？）四．有外力等距双导体棒模型【模型如图】1．电路特点：棒2相当于电源，棒1受安培力而起动.2．运动分析：某时刻回路中电流：安培力大小：。棒1：棒2：最初阶段，,只要,；；；；当时，恒定，恒定，恒定，两棒匀加速3．稳定时的速度差，，，，（建议用时：60分钟）一、单选题1．间距为的平行光滑金属导轨固定在水平绝缘桌面上，整个装置处于竖直向下的磁场中，沿方向建立坐标，磁感应强度大小随坐标的关系为（均为大于零的常数）。将质量为的金属杆锁定在坐标原点处，间接一恒流装置，该装置可使回路保持恒定的电流，电流方向由到，如图所示。某时刻解除锁定的同时对施加一个大小为、方向沿轴正方向的恒定外力，使从静止开始向右运动，始终与导轨垂直且接触良好。则在运动过程中，金属杆（）A．运动的加速度大小不变B．速度达到最大时的坐标值为C．最大速度为D．最大位移为2．（2023·天津蓟州·校考三模）如图所示，两光滑平行长直导轨水平放置在磁感应强度为B的匀强磁场中，磁场与导轨所在平面垂直，已知金属棒MN能沿导轨自由滑动，导轨一端跨接一个定值电阻R，金属棒与导轨电阻不计。金属棒在恒力F作用下从静止开始沿导轨向右运动，在以后过程中，金属棒速度v、加速度a、感应电动势E以及通过电阻R的电荷量q随时间t变化图线正确的是（）A． B．C． D．3．光滑导轨间距d＝0.5m，导轨间有一足够宽的磁场，磁感应强度B＝2T的匀强磁场中，导轨两端分别接有电阻R＝3Ω的电阻和阻值为RL＝6Ω的小灯泡，t＝0时，一电阻r＝2Ω的导体棒MN处在磁场的左边界处，之后在外力作用下以速度v＝4sin10πt恰好能在磁场两边界间往返运动，导轨的电阻不计，导体棒与导轨接触良好，在导体棒MN以后的运动中（

）A．导体棒MN从磁场左边到右边过程中，通过的电量为0.4CB．导体棒在磁场中做匀变速运动C．小灯泡的功率为WD．导体棒运动到磁场中间位置时，电阻R的电流为A4．（2024·广西·校联考一模）如图，两根光滑平行金属导轨固定在绝缘水平面上，导轨间距为d，处于竖直向上的磁场中，磁感应强度大小为B。已知导体棒MN的电阻为R，质量为m，导体棒PQ的电阻为，质量为。初始时刻两棒静止，两棒中点之间连接一压缩量为L的轻质绝缘弹簧。释放弹簧两棒在磁场中运动直至停止，弹簧始终在弹性限度内。整个过程中两棒保持与导轨垂直并接触良好，导轨足够长且电阻不计。下列说法正确的是（）A．弹簧伸长过程中，回路中感应电流的方向为PQNMPB．两导体棒和弹簧组成的系统动量守恒，机械能守恒C．整个运动过程中，MN与PQ的路程之比为D．整个运动过程中，通过MN的电荷量为5．（2023·江苏南通·统考三模）如图所示，两光滑平行长直金属导轨水平固定放置，导轨间存在竖直向下的匀强磁场．两根相同的金属棒ab、cd垂直放置在导轨上，处于静止状态。时刻，对cd棒施加水平向右的恒力F，棒始终与导轨接触良好，导轨电阻不计。两棒的速度vab、vcd和加速度aab、acd随时间t变化的关系图像可能正确的是（）A． B．C． D．二、多选题6．（2024·全国·校联考一模）如图所示，为水平面上平行放置的两根光滑足够长直导轨，两导轨间距为端连接一内阻不计电动势为的电源和阻值的电阻，质量为的导体棒垂直于导轨放置，其中点通过轻绳、绕过一光滑的定滑轮与重物相连，在导轨间的电阻为，整个装置处于竖直向上的匀强磁场中，磁感应强度大小为。当重物时，导体棒恰好静止不动。下列说法正确的是（）A．电源电动势B．电阻上的热功率为C．当时，刚开始运动时的加速度大小为D．当时，的最大速度是7．如图，在水平面上放置两条相距l的平行光滑金属导轨ab与cd，阻值为R的电阻与导轨的a、c端相连。质量为m的金属滑杆MN垂直于导轨并可在导轨上滑动。整个装置放于匀强磁场中，磁场的方向竖直向上，磁感应强度的大小为B。滑杆与导轨电阻不计，在金属杆上施加一个平行导轨的水平拉力F，使金属杆始终以加速度a由静止加速到v的过程中，下列说法正确的是（

）A．水平拉力F恒等于ma B．水平拉力F随时间均匀增加C．电阻R产生的热量为 D．拉力F的最大功率为8．（2024·辽宁沈阳·统考一模）如图所示，用金属制成的平行导轨由水平和弧形两部分组成，水平导轨窄轨部分间距为L，有竖直向上的匀强磁场，宽轨部分间距为2L，有竖直向下的匀强磁场；窄轨和宽轨部分磁场的磁感应强度大小分别为2B和B，质量均为m金属棒a、b垂直于导轨静止放置。现将金属棒a自弧形导轨上距水平导轨h高度处静止释放，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，两棒接入电路中的电阻均为R，其余电阻不计，宽轨和窄轨都足够长，a棒始终在窄轨磁场中运动，b棒始终在宽轨磁场中运动，重力加速度为g，不计一切摩擦。下列说法正确的是（）A．a棒刚进入磁场时，b棒的加速度方向水平向左B．从a棒进入磁场到两棒达到稳定过程，a棒和b棒组成的系统动量守恒C．从a棒进入磁场到两棒达到稳定过程，通过b棒的电量为D．从a棒进入磁场到两棒达到稳定过程，b棒上产生的焦耳热为9．如图所示，水平光滑导轨间距分别为、，宽、窄导轨区域磁感应强度分别为B1、B2，A、B两导杆质量分别为、、杆B右端通过一条轻绳受质量为的重物牵连。并由静止开始运动。设回路中总电阻为R。假设各导轨无限长。则下列说法正确的是（）A．杆A做加速度减小的加速运动，杆B做加速度减小的减速运动B．A产生的电动势与杆B产生的电动势之比为二者速度之比C．杆A和杆B经足够长时间后的加速度之比为D．若开始到某时刻过程生热为Q，此时两杆的速度分别为和，则重物机械能损失量为三、解答题10．如图甲所示，空间存在方向竖直向下的匀强磁场，、是水平放置的平行长直导轨，其间距为，和是并联在导轨一端的电阻，且、，是垂直导轨放置的质量为的导体棒，导轨和导体棒之间的动摩擦因数各处均相同。从零时刻开始，对施加一个大小为，方向水平向左的恒定拉力，使其从静止开始沿导轨滑动，滑动过程中棒始终保持与导轨垂直且良好接触，图乙是棒的图象，其中点为坐标原点，其坐标为，是图象在点的切线，是图象的渐近线。除、以外，其余部分的电阻均不计，设最大静摩擦力等于滑动摩擦力。已知当棒的位移为时，其速度达到了最大速度。求结果可以保留分数（1）导体棒运动中受的摩擦力的大小和磁感应强度的大小（2）在导体棒的位移为过程中电阻上产生的焦耳热（3）若在导体棒的位移为时立即将恒定拉力撤掉，此后导体棒滑行到停止的过程中流过的电量为，求摩擦力在导体棒整个运动过程的平均功率。11．（2024·陕西商洛·统考二模）如图所示，两根足够长的固定的光滑平行金属导轨位于同一绝缘水平面内，两导轨间的距离为L，导轨上面横放着两根长度也为L的导体棒ab和cd，两根导体棒的质量分别为m、，电阻分别为R、，构成矩形回路，回路中其余部分的电阻可不计。在整个导轨平面内都有竖直向上的匀强磁场，磁感应强度大小为B。开始时，cd棒静止，ab棒有大小为、方向指向cd棒的初速度，若两导体棒在运动过程中始终不接触。求：（1）ab棒所受的最大安培力；（2）从开始至cd棒稳定运动时，cd棒产生的焦耳热；（3）当ab棒的速度变为初速度大小的时，cd棒的加速度大小a。12．如图所示，竖直平面内有间距为l的固定平行金属导轨M和N，其下端通过开关S1连接电阻R，通过单刀双掷开关S2连接电容C和内外半径分别r1和r2的金属环，金属环位于同一竖直平面内。在两导轨虚线框内和在两金属环间，存在相同的、方向垂直导轨平面、大小为B的匀强磁场。电阻为R、质量为m、长为l的两相同的导体棒ab和cd，ab通过劲度系数为k的绝缘轻质弹簧相连，当开关S1和S2断开时，ab位于靠近磁场上边界处（但在磁场内），处于水平静止状态并与导轨接触良好；cd置于两金属环上，且绕过圆心O的轴以角速度匀速旋转。已知k=400N/m，m=1kg，l=1m，B=2T，R=0.5，C=0.25F，ω=5rad/s，r1=0.1m，r2=0.9m，不计其它电阻和摩擦阻力，棒ab始终在导轨所在平面内运动，g取10m/s2。（1）S1断开，S2掷向2，求电容器所带电荷量的大小q；（2）S1断开，S2掷向1时ab棒以v=1.0m/s的速度竖直向上运动离开磁场时，求此时电容器所带电荷量的大小q′，并判断cd的旋转方向；（3）ab棒再进磁场前断开S2，接通S1，ab在磁场内运动至距磁场上边界0.04m处时速度为零，求此过程中电阻R消耗的焦耳热。（提示:弹簧伸长量为时，其弹性势能，导体棒ab在运动过程中弹簧末超出弹性限度）（建议用时：60分钟）一、单选题1．足够长的平行金属导轨ab、cd水平放置于竖直向下的匀强磁场中，磁感应强度大小为B，ac之间连接有电容为C的电容器，导轨间距为L，长度为L的光滑金属棒垂直导轨放置，与导轨接触良好，俯视图如图所示。金属棒在水平恒力F的作用下开始向右运动，当金属棒运动距离为x时撤去外力F整个过程电容器未被击穿，重力加速度为g，下列说法正确的是（）A．在外力F作用下金属棒做加速度越来越小的加速运动B．撤去外力F后金属棒做减速运动直至静止C．在外力F的作用下，电容器中的电荷量随时间均匀增大D．撤去外力F时金属棒的速度为2．如图所示，两根足够长且相互平行的光滑长直金属导轨固定在与水平面成的绝缘斜面上，在导轨的右上端分别接入阻值为R的电阻、电动势为E、内阻不计的电源和电容为C的电容器（电容器不会被击穿），导轨上端用单刀多掷开关可以分别连接电阻、电源和电容。质量为m、长为L、阻值也为R的金属杆ab锁定于导轨上，与导轨垂直且接触良好，解除ab锁定后，其运动时始终与CD平行，不计导轨的电阻和空气阻力，整个导轨处在垂直导轨平面向下的匀强磁场中，磁感应强度为B，重力加速度g。则下列说法正确的是（）A．当开关打到同时解除对金属杆ab的锁定，则金属杆最大速度为B．当开关打到同时解除对金属杆ab的锁定，则金属杆ab一定沿轨道向下加速C．当开关打到同时解除对金属杆ab的锁定，则金属杆做匀加速直线运动D．当开关打到同时解除对金属杆ab的锁定，则在内金属杆运动的位移为3．如图所示，宽为L的足够长U形光滑导轨放置在绝缘水平面上，整个导轨处于竖直向上、磁感应强度大小为B的匀强磁场中，将一质量为m、有效电阻为R、长度略大于L的导体棒垂直于导轨放置。某时刻给导体棒一沿导轨向右、大小为v0的水平速度，不计导轨电阻，棒在运动过程中始终与导轨垂直且接触良好，则下列说法正确的是（）A．导体棒中感应电流方向为由a到b B．导体棒的加速度始终不变C．导体棒中的最大发热量为 D．通过导体棒的电荷量最大值为4．如图所示，两根平行金属导轨置于水平面内，导轨之间接有电阻．金属棒ab与两导轨垂直并保持良好接触，整个装置放在匀强磁场中，磁场方向垂直于导轨平面向上，金属棒ab始终保持静止．下列说法正确的是A．当B均匀增大时，金属棒ab中的电流增大B．当B增大时，金属棒ab中的感应电流方向由a到bC．当B减小时，金属棒ab中的电流一定减小D．当B不变时，金属棒ab受到水平受向右的静摩擦力5．（2023·安徽池州·统考一模）如图所示，两足够长平行光滑固定导轨，倾角为，导体棒用绝缘细线栓连，处于水平状态，在平行于斜面向上的恒力F作用下静止于轨道，一范围足够大的匀强磁场垂直于轨道斜面（未画出）。磁感应强度为B，轨道宽度为l，导体棒接入电路的电阻分别为R和。剪断细线，经t时间达到最大速度。已知导体棒质量为，导体棒质量为m。下列说法正确的是（）A．在任意时刻，与速度大小之比为1∶1B．的最大速度为C．在0到t时间内，流过的电荷量为D．在0到t时间内，上滑的距离为6．（2023·江苏·统考三模）如图所示，两根光滑平行金属长导轨、水平固定放置，导轨间存在竖直向上的匀强磁场，两根完全相同的金属棒、垂直放置在导轨上，两金属棒的长度恰好等于金属导轨的间距，时刻对金属棒施加一个水平向右的恒力F，此后两金属棒由静止开始运动，金属棒在运动过程中始终与导轨接触良好，两金属棒的速度大小分别记为、，加速度大小分别记为、，金属棒两端电压记为，闭合回路消耗的电功率记为P，电路中除金属棒以外的电阻均不计，下列关系图像错误的是（）A． B．C． D．二、多选题7．（2024·广东肇庆·统考二模）如图所示，空间中存在竖直向下的匀强磁场，磁感应强度大小为B。有两根完全相同的金属棒a和b垂直静置于足够长的水平光滑平行金属导轨上，导轨间距为L、电阻不计，金属棒与导轨接触良好，两根金属棒的质量均为m、长度均为L、电阻均为R。将b固定在导轨上，某时刻给a施加一个水平向右的恒力F。下列说法正确的是（）

A．a棒所受的安培力先增大后减小B．a棒的最大速度为C．若解除b的固定，则稳定后两棒的速度相等D．若解除b的固定，则稳定后两棒的加速度相等8．如图所示，竖直放置两间距为的平行光滑金属轨道ME和PF（电阻不计），在ABCD、CDEF区域内存在垂直轨道平面的匀强磁MP场，磁感应强度大小,方向如图，图中。两导体棒a、b通过绝缘轻质杆连接，总质量，b棒电阻，a棒电阻不计；现将ab连杆系统从距离AB边高h处由静止释放，a棒匀速通过ABCD区域，最终a棒从进入AB边到穿出EF边的用时0.2s，导体棒与金属轨道垂直且接触良好。（g=10m/s2）（）

A．a棒刚进入ABCD磁场时电流方向是向左方向B．a棒刚进入ABCD磁场时速度大小C．D．a棒以1m/s的速度穿出EF边9．如图所示，两条足够长的光滑平行导轨MN，水平放置，导轨间距为L=1m，电阻不计，两导体棒a、b静置于导轨上，导体棒a的电阻不计，b棒的阻值为R=1Ω，单刀双掷开关1接电容为C=0.5F的电容器上，初始状态，电容器不带电。电容器的右侧有垂直纸面向里的匀强磁场，电容器左侧有垂直纸面向外的匀强磁场，导体棒a通过细线跨过光滑滑轮与竖直悬挂的重物A相连，已知重物A、两导体棒a、b三者的质量均为m=1kg。现将开关S置于1位置，释放重物A，同时开始计时，时断开开关S，时将开关S置于2位置，导体棒b开始运动；时刻两导体棒的加速度大小相等。重力加速度，则下列说法正确的是（）

A．时刻导体棒a的速度为B．时刻导体棒a的速度为C．时刻导体棒a的加速度为D．时刻回路消耗的热功率为25W10．我国最早的实验性电磁炮是303EMG型，在1988年进行的第一次试射，当时发射的炮弹只有30克。随后在哈工大、河北炮兵工程学院等22所大学和研究所开展了电磁发射研究。某电磁炮装置如图，间距为L足