習(xí)題課十電磁感應(yīng)中的電路和圖像問題

第十一章電磁感應(yīng)習(xí)題課十電磁感應(yīng)中的電路和圖像問題目錄CONTENT著眼“四翼”·探考點(diǎn)0201鎖定“目標(biāo)”·提素能Part01著眼“四翼”·探考點(diǎn)?考點(diǎn)一

電磁感應(yīng)中的電路問題

[互動共研類]1.電磁感應(yīng)中電路知識的關(guān)系圖2.“三步走”分析電磁感應(yīng)的電路問題【典例1】

（2023·江蘇常州一模）如圖甲所示，輕繩系一質(zhì)量為m＝0.8kg，半徑為1m的圓形線圈，已知線圈總電阻R＝0.5Ω，在線圈上半部分布著垂直于線圈平面向里，大小隨時間變化的磁場，如圖乙所示，g取10m/s2，求：（1）線圈下半圓的端點(diǎn)的路端電壓Uab；

答案

（1）0.25V（2）繩的拉力FT與時間t的關(guān)系。

?1.[電路兩端的電壓問題]用相同導(dǎo)線繞制的邊長為L或2L的四個閉合導(dǎo)體線框、以相同的速度勻速進(jìn)入右側(cè)勻強(qiáng)磁場，如圖所示。在每個線框進(jìn)入磁場的過程中，M、N兩點(diǎn)間的電壓分別為Ua、Ub、Uc和Ud。下列判斷正確的是（

）A.Ua＜Ub＜Uc＜UdB.Ua＜Ub＜Ud＜UcC.Ua＝Ub＝Uc＝UdD.Ub＜Ua＜Ud＜Uc

2.[電路的功率問題]如圖所示，由某種粗細(xì)均勻的金屬條制成的矩形線框abcd固定在紙面內(nèi)，勻強(qiáng)磁場垂直紙面向里。一導(dǎo)體棒PQ放在線框上，在水平拉力F作用下沿平行ab的方向勻速滑動，滑動過程中PQ始終與ab垂直，且與線框接觸良好，不計摩擦。在PQ從靠近ad處向bc滑動的過程中（

）A.通過PQ的電流先增大后減小B.PQ兩端電壓先減小后增大C.拉力F的功率先減小后增大D.通過ad的電流先增大后減小

3.[含容電路的問題]半徑L＝5m、電阻不計的金屬圓環(huán)水平放置，O為圓環(huán)的圓心，其內(nèi)部存在著方向豎直向上、大小B＝1T的勻強(qiáng)磁場（圖中未畫出），OA是一個長度為L的金屬棒，它可繞O點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，且始終與金屬圓環(huán)接觸良好。一電路的兩端分別與金屬圓環(huán)和O點(diǎn)連接，如圖所示。已知金屬棒OA的電阻r＝10Ω，滑動變阻器接入電路阻值R1＝10Ω，定值電阻的阻值R2＝5Ω，電容器的電容C＝0.1F。當(dāng)金屬棒OA繞O點(diǎn)以某一角速度勻速轉(zhuǎn)動時，電容器的電荷量q＝0.5C。（1）求金屬棒勻速轉(zhuǎn)動的角速度；

答案：（1）2rad/s

（2）改變R1接入電路的阻值，當(dāng)R1、R2消耗的電功率之和最大時，求電容器的電荷量。

答案：（2）0.625C考點(diǎn)二

電磁感應(yīng)中的圖像問題

[互動共研類]圖像類型隨時間變化的圖像，如B－t圖像、Φ－t圖像、E－t圖像、I－t圖像；隨位移變化的圖像，如

E－x

圖像、I－x圖像（哪個物理量隨哪個物理量變化要弄清）問題類型（1）由給定的電磁感應(yīng)過程選出或畫出正確的圖像；（2）由給定的有關(guān)圖像信息分析電磁感應(yīng)過程，求解相應(yīng)的物理量解題方法四個規(guī)律左手定則、安培定則、右手定則、楞次定律六個公式【典例2】

豎直向上的勻強(qiáng)磁場中，水平放置一個不變形的單匝金屬圓線圈，規(guī)定線圈中感應(yīng)電流的正方向如圖甲所示（感應(yīng)電動勢的方向即線圈中感應(yīng)電流的方向），當(dāng)磁場的感應(yīng)強(qiáng)度B隨時間t如圖乙變化時，如圖正確表示線圈中感應(yīng)電動勢E變化的是（

）

答案

A｜規(guī)律方法｜解決此類問題，求解選擇題時，用方向排除法較為簡單。判斷過程涉及三大定律。（1）應(yīng)用楞次定律判斷感應(yīng)電流方向。對于導(dǎo)體切割磁感線的情境，也可以用右手定則判斷。（2）應(yīng)用法拉第電磁感應(yīng)定律計算電動勢。對導(dǎo)體切割磁感線的情境也可以用E＝Blv，注意切割導(dǎo)體的有效長度和導(dǎo)體速度的變化。（3）應(yīng)用閉合電路的歐姆定律計算感應(yīng)電流。感應(yīng)電流是由感應(yīng)電動勢和回路電阻共同決定的。?1.[圖像的選取]（2023·江蘇常州高三期中）如圖所示，豎直放置的U形光滑導(dǎo)軌與一電容器串聯(lián)。導(dǎo)軌平面有垂直于紙面的勻強(qiáng)磁場，金屬棒ab與導(dǎo)軌接觸良好，由靜止釋放后沿導(dǎo)軌下滑。電容C足夠大，原來不帶電，不計一切電阻。設(shè)導(dǎo)體棒的速度為v、動能為Ek、兩端的電壓為Uab。電容器上的電荷量為q。它們與時間t，位移x的關(guān)系圖像正確的是

（

）

2.[圖像的應(yīng)用]在豎直向上的勻強(qiáng)磁場中，水平放置一個不變形的單匝金屬圓線圈，線圈所圍的面積為0.1m2，線圈電阻為1Ω。規(guī)定線圈中感應(yīng)電流I的正方向從上往下看是順時針方向，如圖甲所示。磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時間t的變化規(guī)律如圖乙所示。以下說法正確的是（

）A.在0～2s時間內(nèi)，I的最大值為0.02AB.在3～5s時間內(nèi)，I的大小越來越小C.前2s內(nèi)，通過線圈某橫截面的總電荷量為0.01CD.第3s內(nèi)，線圈的發(fā)熱功率最大

3.[圖像的轉(zhuǎn)換]如圖甲所示，在豎直向下的勻強(qiáng)磁場中，兩平行光滑金屬導(dǎo)軌固定在水平面上，左端接電阻R，金屬棒ab垂直于導(dǎo)軌放置。現(xiàn)給金屬棒ab一個水平向右的初速度v0，同時對其施加一個水平向右的外力F，F(xiàn)與金屬棒ab的速度v的關(guān)系如圖乙所示。金屬棒ab與導(dǎo)軌始終垂直且接觸良好，導(dǎo)軌電阻可忽略不計，則金屬棒ab運(yùn)動的v－t圖像可能是（

）

Part02鎖定“目標(biāo)”·提素能?1.如圖甲所示，固定的長直導(dǎo)線與固定的半圓形閉合金屬線框位于同一平面內(nèi)，長直導(dǎo)線中的電流I隨時間t的變化關(guān)系如圖乙所示，直導(dǎo)線中電流向上，則下列說法正確的是（

）A.線框中會產(chǎn)生順時針方向的電流B.線框中受到的安培力方向水平向左C.線框中電流隨時間均勻增大D.線框中感應(yīng)電流的電功率恒定解析：D

長直導(dǎo)線中的電流均勻增大，則半圓形閉合金屬線框中的磁通量均勻增大，根據(jù)楞次定律和安培定則，線框中會產(chǎn)生逆時針方向的感應(yīng)電流，結(jié)合左手定則可知，線框會受到向右的安培力，故A、B錯誤；根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知，線框中的感應(yīng)電流大小恒定，因此感應(yīng)電流的電功率恒定，故D正確，C錯誤。2.如圖所示，兩個互連的金屬圓環(huán)，小金屬環(huán)的電阻是大金屬環(huán)電阻的二分之一，磁場垂直穿過大金屬環(huán)所在區(qū)域。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時間均勻變化時，在大環(huán)內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為E，則a、b兩點(diǎn)間的電勢差為（

）D.E

3.如圖所示，在外力的作用下，導(dǎo)體桿OC可繞O軸沿半徑為r的光滑的半圓形框架在勻強(qiáng)磁場中以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，方向垂直于紙面向里，A、O間接有電阻R，桿和框架電阻不計，則所施外力的功率為（

）

4.如圖所示，線圈匝數(shù)為n，橫截面積為S，線圈電阻為R，處于一個均勻增強(qiáng)的磁場中，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時間的變化率為k，磁場方向水平向右且與線圈平面垂直，電容器的電容為C，兩個電阻的阻值均為2R。下列說法正確的是（

）A.電容器上極板帶負(fù)電

5.（2023·江蘇南京市秦淮中學(xué)高三月考）如圖所示，電阻R＝1Ω、半徑r1＝0.2m的單匝圓形導(dǎo)線框P內(nèi)有一個與P共面的圓形磁場區(qū)域Q。P、Q的圓心相同，Q的半徑

r2＝0.1m；t＝0時刻，Q內(nèi)存在著垂直于圓面向里的磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時間t變化的關(guān)系是B＝2－t（T）；若規(guī)定逆時針方向為電流的正方向，則線框P中感應(yīng)電流I隨時間t變化的關(guān)系圖像應(yīng)該是選項圖中的（

）

6.（2023·江蘇通州高三月考）如圖所示，光滑的平行長導(dǎo)軌水平放置，導(dǎo)體棒MN靜止在導(dǎo)軌上，與導(dǎo)軌垂直且接觸良好，電容C足夠大，原來不帶電；現(xiàn)使導(dǎo)體棒沿導(dǎo)軌向右運(yùn)動，初速度為v0，設(shè)導(dǎo)體棒的速度為v、動能為Ek、兩端的電壓為UMN，電容器上的電荷量為q。下列圖像中正確的是（

）解析：A

開始時，導(dǎo)體棒向右運(yùn)動，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，同時電容器充電，回路中有感應(yīng)電流，導(dǎo)體棒受到向左的安培力而做減速運(yùn)動，隨速度的減小，根據(jù)E＝BLv可知感應(yīng)電動勢減小，充電電流減小，安培力減小，則棒的加速度減小，當(dāng)加速度減為零時導(dǎo)體棒做勻速運(yùn)動，此時電容器兩板間電壓恒定不變；此過程中電容器一直充電，電量一直增加，MN間電壓一直增加，最后不變，故選項A正確，B、C、D錯誤。7.兩個有界勻強(qiáng)磁場如圖所示，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B，方向分別垂直于紙面向里和向外，磁場寬度均為L，距磁場區(qū)域的左側(cè)L處有一邊長為L的正方形導(dǎo)體線框，總電阻為R，且線框平面與磁場方向垂直?，F(xiàn)用外力F使線框以速度v勻速穿過磁場區(qū)域，以初始位置為計時起點(diǎn)，規(guī)定電流沿逆時針方向時的電動勢E為正，磁感線垂直紙面向里時磁通量Φ的方向為正，外力F方向向右為正。線框中的磁通量Φ、感應(yīng)電動勢E、外力F和電功率P隨時間變化的圖像正確的是圖中的（

）解析：D

線框向右運(yùn)動距離為L時開始進(jìn)入磁場，磁通量開始增大，當(dāng)線框全部進(jìn)入方向垂直向里的磁場時，磁通量達(dá)到最大，此后方向垂直向外的磁通量增大，總磁通量減小，當(dāng)運(yùn)動到2.5L時，磁通量為零，故選項A錯誤；當(dāng)線框進(jìn)入第一個磁場時，由E＝BLv可知，E保持不變，而開始進(jìn)入第二個磁場時，兩邊同時切割磁感線，電動勢應(yīng)為2BLv，故選項B錯誤；因安培力總是與運(yùn)動方向相反，因此外力F方向應(yīng)一直向右，故選項C錯誤；外力F的功率

P＝Fv，因速度不變，而線框進(jìn)入第一個磁場時，電流為定值，F(xiàn)也為定值，兩邊分別在兩個磁場中時，電流加倍，回路中總電動勢加倍，功率變?yōu)樵瓉淼?倍，此后從第二個磁場中離開時，安培力應(yīng)等于線框進(jìn)入第一個磁場時的安培力，所以功率應(yīng)等于進(jìn)入第一個磁場時的功率，故選項D正確。?8.（2023·江蘇金陵中學(xué)模擬）某同學(xué)設(shè)計了一種帶有閃爍燈的自行車車輪，以增強(qiáng)夜間騎車的安全性。如圖所示為自行車后車輪，已知金屬車輪半徑為r＝0.6m，金屬輪軸半徑可以忽略，有絕緣輻條連接輪軸與車輪（輻條未畫出）。車輪與輪軸之間對稱地接有4根相同的金屬條，每根金屬條中間都串接一個LED燈，LED燈可視為純電阻，每個LED燈的阻值恒為R＝0.45Ω，不計其他電阻。車輪旁的車架上固定有一特殊磁鐵，能在車輪與輪軸之間形成一個方向垂直于紙面向外、磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B＝0.5T的扇形勻強(qiáng)磁場區(qū)域，扇形對應(yīng)的圓心角θ＝30°。使自行車沿平直路面勻速前進(jìn)，已知車輪轉(zhuǎn)動的角速度為ω＝20rad/s，不計車輪厚度，忽略磁場的邊緣效應(yīng)，取π＝3.0，則下列說法正確的是（

）A.車輪轉(zhuǎn)動一周過程中，LED燈亮的總時間為0.075sB.金屬條ab進(jìn)入磁場時，ab上電流的方向是a→bC.金屬條ab進(jìn)入磁場時，ab上電流大小是2AD.車輪轉(zhuǎn)動一周，LED燈產(chǎn)生的總焦耳熱為0.54J

9.（2023·江蘇連云港二模）如圖所示，豎直平面內(nèi)存在范圍足夠大、方向水平的磁場，同一高度處磁感應(yīng)強(qiáng)度大小相等，豎直方向上磁感應(yīng)強(qiáng)度隨距離均勻增大。將一個豎直放置的正方形金屬線框abcd從圖示位置水平向右拋出，不計空氣阻力。下列關(guān)于線框運(yùn)動的加速度a、感應(yīng)電流i隨時間t，線框重力做功的功率P機(jī)械能E隨下落高度h變化的關(guān)系圖像中，可能正確的是（

）

初始時，線框的速度為零，所以在P－h(huán)圖像中，h＝0時，重力功率應(yīng)為零，故C錯誤；除了重力之外的其他力做功等于機(jī)械能的變化量，根據(jù)

ΔE＝－F安h，可知E－h(huán)圖像的斜率的絕對值為安培力的大小，由A、B選項分析可知，安培力越來越大，最后不變，可知D錯誤。10.（2023·江蘇南京一模）某風(fēng)速實驗裝置由風(fēng)杯組系統(tǒng)（甲圖）和電磁信號產(chǎn)生系統(tǒng)（乙圖）兩部分組成。電磁信號產(chǎn)生器由圓形勻強(qiáng)磁場和固定于風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸上的導(dǎo)體棒OA組成（O點(diǎn)連接風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸），磁場半徑為L，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，方向垂直紙面向里，導(dǎo)體棒OA長為1.5L，電阻為r，風(fēng)推動風(fēng)杯組繞水平軸順時針勻速轉(zhuǎn)動，風(fēng)杯中心到轉(zhuǎn)軸距離為2L，導(dǎo)體棒每轉(zhuǎn)一周A端與彈性簧片接觸一次，接觸時產(chǎn)生的電流強(qiáng)度恒為I。圖中電阻為R，其余電阻不計。求：（1）當(dāng)導(dǎo)體棒與彈性簧片接觸時，OA兩端電勢差UOA；解析：（1）根據(jù)題意可知，當(dāng)導(dǎo)體棒在磁場中順時針轉(zhuǎn)動時，相當(dāng)于電源，且O端相當(dāng)于電源的負(fù)極，則根據(jù)歐姆定律可知，OA兩端電勢差UOA數(shù)值上等于電路中的外電壓，則有UOA＝－IR。答案：（1）－IR

（2）風(fēng)杯的速率v。

11.如圖甲所示，水平面上的兩光滑金屬導(dǎo)軌平行固定放置，間距d＝0.5m，電阻不計，左端通過導(dǎo)線與阻值R＝2Ω的電阻連接，右端通過導(dǎo)線與阻值

RL＝4Ω的小燈泡L連接。在CDFE矩形區(qū)域內(nèi)有垂直于導(dǎo)軌平面向上的勻強(qiáng)磁場，CE長l＝2m，有一阻值r＝2Ω的金屬棒PQ放置在靠近磁場邊界CD處（恰