高考物理-高考试题中有关“电磁炮”的题目解析

高考试题中难度最大的往往是电磁学、力学综合试题，其中有关“电磁炮”的题目虽然主要考查安培力，但近十多年来题目是越来越不容易解答了。今天，我们就来分享这些试题。磁轨炮属于现代化武器系统。磁轨炮是一种电炮，利用电磁系统发射高速的炮弹。它依赖于强大的电磁场来加速金属炮弹，使其达到极高的速度。磁轨炮具有高精度、高射速和远程打击能力，适用于现代军事应用。据日本媒体报道，日本防卫装备厅日前宣布，已与法国和德国签订电磁炮合作分工协定。此前，日本也与美国签订一份为期5年的电磁炮联合研发协议。一系列合作表明，日本正试图组建电磁炮研发联盟，以加速电磁炮的实战化研究与开发。电磁炮又称磁轨炮或轨道炮，是利用电磁发射技术制成的一种动能杀伤武器。日本已将电磁炮列为未来10年的武器研发重点项目之一，并不断推进技术验证和原型试验。根据日本方面的说法，其电磁炮主要通过发射高速弹丸打击海上和空中目标，与传统火炮相比，电磁炮具有高初速、远射程、低成本、连续发射和精准打击等特点，能够拦截包括高超音速导弹在内的多种海上和空中威胁，可弥补其现有导弹防御系统的不足。

题目一．18．电磁轨道炮工作原理如图所示。待发射弹体可在两平行轨道之间自由移动，并与轨道保持良好接触。电流I从一条轨道流入，通过导电弹体后从另一条轨道流回。轨道电流可形成在弹体处垂直于轨道面的磁场（可视为匀强磁场），磁感应强度的大小与I成正比。通电的弹体在轨道上受到安培力的作用而高速射出。现欲使弹体的出射速度增加至原来的2倍，理论上可采用的办法是

（

）A．只将轨道长度L变为原来的2倍B．只将电流I增加至原来的2倍C．只将弹体质量减至原来的一半D．将弹体质量减至原来的一半，轨道长度L变为原来的2倍，其它量不变【来源】2011年新课标卷第18题。【答案】BD。

题目二．电磁轨道炮利用电流和磁场的作用使炮弹获得超高速度，其原理可用来研制新武器和航天运载器．电磁轨道炮示意如图，图中直流电源电动势为E，电容器的电容为C．两根固定于水平面内的光滑平行金属导轨间距为l，电阻不计．炮弹可视为一质量为m、电阻为R的金属棒MN，垂直放在两导轨间处于静止状态，并与导轨良好接触．首先开关S接1，使电容器完全充电．然后将S接至2，导轨间存在垂直于导轨平面、磁感应强度大小为B的匀强磁场（图中未画出），MN开始向右加速运动．当MN上的感应电动势与电容器两极板间的电压相等时，回路中电流为零，MN达到最大速度，之后离开导轨．问：

（1）磁场的方向；（2）MN刚开始运动时加速度a的大小；（3）MN离开导轨后电容器上剩余的电荷量Q是多少．【答案】（1）垂直于导轨平面向下；【难度】0.15【来源】2017年天津市高考物理试题【知识点】电磁炮【详解】（1）电容器充电后上板带正电，下板带负电，放电时通过MN的电流由M到N，欲使炮弹射出，安培力应沿导轨向右，根据左手定则可知磁场的方向垂直于导轨平面向下．（2）电容器完全充电后，两极板间电压为E，根据欧姆定律，电容器刚放电时的电流为：（3）电容器放电前所带的电荷量Q1=CE

开关S接2后，MN开始向右加速运动，速度达到最大值vm时，MN上的感应电动势为：E′=Blvm

最终电容器所带电荷量Q2=CE′，导体棒运动过程中受到安培力的作用，磁感应强度和导体棒长度不变，即安培力和电流成正比，因此在此过程中MN的平

题目三．25．（20分）下图是导轨式电磁炮实验装置示意图。两根平行长直金属导轨沿水平方向固定，其间安放金属滑块（即实验用弹丸）。滑块可沿导轨无摩擦滑行，且始终与导轨保持良好接触。电源提供的强大电流从一根导轨流入，经过滑块，再从另一导轨流回电源。滑块被导轨中的电流形成的磁场推动而发射。在发射过程中，该磁场在滑块所在位置始终可以简化为匀强磁场，方向垂直于纸面，其强度与电流的关系为B=kI，比例常量k=2.5×10－6T/A。已知两导轨内侧间距l=1.5cm，滑块的质量m=30g，滑块沿导轨滑行5m后获得的发射速度v=3.0km/s（此过程视为匀加速运动）。（1）求发射过程中电源提供的电流强度。（2）若电源输出的能量有4%转换为滑块的动能，则发射过程中电源的输出功率和输出电压各是多大？（3）若此滑块射出后随即以速度v沿水平方向击中放在水平面上的砂箱，它嵌入砂箱的深度为s'。设砂箱质量为M，滑块质量为m，不计砂箱与水平面之间的摩擦。求滑块对砂箱平均冲击力的表达式。【来源】2005年普通高等学校招生全国统一考试（北京卷）第25题。【解析】25.（20分）

题目四．15．（8分）据报道，最近已研制出一种可以投入使用的电磁轨道炮，其原理如图所示。炮弹（可视为长方形导体）置于两固定的平行导轨之间，并与轨道壁密接。开始炮弹在导轨的一端，通以电流后炮弹会被磁力加速，最后从位于导轨另一端的出口高速射出。设两导轨之间的距离d=0.10m，导轨长L=5.0m，炮弹质量m=0.3kg。导轨上的电流I的方向如图中箭头所示。可认为，炮弹在轨道内运动时，它所在出磁场的磁感应强度始终为B=2.0T，方向垂直于纸面向里。若炮弹出口速度为v=2.0×103m/s，求通过导轨的电流I。忽略摩擦力与重力的影响。【来源】2007高考海南物理（新课标）第15题。

【答案】6×105A。【解析】15、在导轨通有电流I时，炮弹作为导体受到磁场施加的安培力为F=IdB

①设炮弹的加速度的大小为a，则有因而

F=ma

②炮弹在两导轨间做匀加速运动，因而

评分参考：①式3分，②式2分，③式2分，结果2分（⑤式2分，⑤式错④式对，给1分）题目五．电磁轨道炮利用电流和磁场的作用使炮弹获得超高速度，其原理可用来研制新武器和航天运载器。电磁轨道炮示意如图，图中直流电源电动势为E，电容器的电容为C。两根固定于水平面内的光滑平行金属导轨间距为L，电阻不计。炮弹可视为一质量为m、电阻为R的金属棒MN，垂直放在两导轨间处于静止状态，并与导轨良好接触。导轨间存在垂直于导轨平面向下、磁感应强度大小为B的匀强磁场（图中未画出），不计电容器放电电流引起的磁场影响。（1）首先开关S接1，电源对电容器充电。画出充电过程中电容器两极板间的电压u随所带电荷量q变化的图像；并借助图像求出稳定后电容器储存的能量E0；（2）充电结束后将S接至2开始放电，MN开始向右加速运动。求MN刚开始运动时加速度a的大小；（3）当MN上的感应电动势与电容器两极板间的电压相等时，回路中电流为零，MN达到最大速度，之后离开导轨。

a．已知自由电子的电荷量为e，请你分析推导当导体棒获得最大速度之后，导体棒中某一自由电子所受的电场力与导体棒最大速度之间的关系式；b．求MN离开导轨后的最大速度vm。【难度】0.65【来源】2022届北京市门头沟区高三下学期综合练习物理试题（二）【知识点】电磁炮【详解】（1）电压u随所带电荷量q变化的图像如图所示电容器充电完毕时其电压等于电动势E。有：电容器所带的电荷量Q=CE图线与横轴所围面积即为电容器储存的能量。有：（2）电容器完全充电后，两极板电压为E，当开关接2时，电容器放电，设刚放电时流经MN的电流为I，有

MN所受安培力F=B