高考物理模型专练与解析模型25电磁感应中导轨和能量问题（学生版）

25电磁感应中导轨和能量问题1．如图所示，在一匀强磁场中有一U形导线框abcd，线框处于水平面内，磁场与线框平面垂直，R为一电阻，ef为垂直于ab的一根导体杆，它可在ab、cd上无摩擦地滑动。杆ef及线框中导线的电阻都可不计。开始时，给ef一个向右的初速度，则()A．ef将减速向右运动，但不是匀减速 B．ef将匀减速向右运动，最后停止C．ef将匀速向右运动 D．ef将往返运动2．如图所示，一粗糙的平行金属轨道平面与水平面成θ角，两轨道上端用一电阻R相连，该装置处于匀强磁场中，磁场方向垂直于轨道平面向上。质量为m的金属杆ab以初速度v0从轨道底端向上滑行，滑行到某高度h后又返回到底端。若运动过程中金属杆始终保持与导轨垂直且接触良好，轨道与金属杆的电阻均忽略不计。则下列说法正确的是()A．金属杆ab上滑过程与下滑过程通过电阻R的电量一样多B．金属杆ab上滑过程与下滑过程产生的焦耳热一定相等C．金属杆ab在整个过程中损失的机械能等于装置产生的焦耳热D．金属杆ab上滑过程中克服安培力与摩擦力做功之和等于3．如图所示，光滑平行金属导轨固定在倾角为的斜面上，导轨电阻忽略不计。虚线、间距为l且均与导轨垂直，在、之间的区域存在垂直于导轨所在平面向上的匀强磁场。将质量均为m的两根导体棒、先后从导轨上同一位置由静止释放，释放位置与虚线的距离为，当导体棒进入磁场瞬间释放导体棒。已知导体棒进入磁场瞬间恰开始做匀速运动，两导体棒始终与导轨垂直且接触良好，重力加速度为g，则整个过程回路中产生的焦耳热为()A． B． C． D．无法确定4．如图所示，两根足够长、电阻不计且相距L=0.2m的平行金属导轨固定在倾角θ=的绝缘斜面上，顶端接有一盏额定电压U=4V的小灯泡，两导轨间有一磁感应强度大小B=5T、方向垂直斜面向上的匀强磁场．今将一根长为L、质量为m=0.2kg、电阻r=1.0Ω的金属棒垂直于导轨放置在顶端附近无初速度释放，金属棒与导轨接触良好，金属棒与导轨间的动摩擦因数μ=0.25，已知金属棒下滑到速度稳定时，小灯泡恰能正常发光，重力加速度g取10m/s2，sin=0.6，cos=0.8，则()A．金属棒刚开始运动时的加速度大小为3m/s2 B．金属棒刚开始运动时的加速度大小为4m/s2C．金属棒稳定下滑时的速度大小为9.6m/s D．金属棒稳定下滑时的速度大小为4.8m/s5．如图所示电路，两根光滑金属导轨平行放置在倾角为θ的斜面上，导轨下端接有电阻R，导轨电阻不计，导轨宽为l，斜面处在竖直向上的匀强磁场中，磁感应强度为B，金属棒ab质量为m，电阻为r，受到沿斜面向上且与金属棒垂直的恒力F的作用，沿导轨匀速向上滑动，则它在上滑高度h的过程中，以下说法正确的是()A．作用在金属棒上各力的合力做功为零B．金属棒克服安培力做的功等于电阻R上产生的焦耳热C．恒力F做的功与安培力做的功之和等于金属棒增加的机械能D．回路中磁通量的变化量为6．如图所示，竖直放置的形光滑导轨宽为L，矩形匀强磁场Ⅰ、Ⅱ的高和间距均为d，磁感应强度为B，质量为m的水平金属杆由静止释放，进入磁场Ⅰ和Ⅱ时的速度相等。金属杆在导轨间的电阻为R，与导轨接触良好，其余电阻不计，重力加速度为g。则金属杆()A．刚进入磁场Ⅰ时加速度方向竖直向下B．穿过磁场Ⅰ的时间大于在两磁场之间的运动时间C．穿过两磁场产生的总热量为4mgdD．释放时距磁场Ⅰ上边界的高度h一定大于7．如图所示，MN、PQ是固定在水平桌面上，相距l＝1.0m的光滑平行金属导轨，MP两点间接有R＝0.6Ω的定值电阻，导轨电阻不计。质量均为m＝0.1kg，阻值均为r＝0.3Ω的两导体棒a、b垂直于导轨放置，并与导轨良好接触。开始时两棒被约束在导轨上处于静止，相距x0＝2m，a棒用细丝线通过光滑滑轮与质量为m0＝0.2kg的重物c相连，重物c距地面高度也为x0＝2m。整个桌面处于竖直向下的匀强磁场中，磁感应强度B＝1.0T。a棒解除约束后，在重物c的拉动下开始运动(运动过程中丝线始终与b棒没有作用)，当a棒即将到达b棒位置前一瞬间，b棒的约束被解除，此时a棒已经匀速运动，试求：(1)a棒匀速运动时棒中的电流大小；(2)已知a、b两棒相碰后即粘合成一根“更粗的棒”，假设导轨足够长，试求该“粗棒”能运动的距离；(3)a棒解除约束后整个过程中装置产生的总焦耳热。8．如图所示，两平行且无限长光滑金属导轨MN，PQ与水平面的夹角为θ=，两导轨之间的距离为L=1m，两导轨M，P之间接入电阻R=0.2Ω，导轨电阻不计，在abdc区域内有一个方向垂直于两导轨平面向下的磁场Ⅰ，磁感应强度B0=1T，磁场的宽度x1=1m；在cd连线以下区域有一个方向也垂直于导轨平面向下的磁场Ⅱ，磁感应强度B1=0.5T。一个质量为m=1kg的金属棒垂直放在金属导轨上，与导轨接触良好，金属棒的电阻r=0.2Ω，若金属棒在离ab连线上端x0处自由释放，则金属棒进入磁场Ⅰ恰好做匀速运动。金属棒进入磁场Ⅱ后，经过ef时又达到稳定状态，cd与ef之间的距离x2=8m。求(g取10m/s2)(1)金属棒在磁场Ⅰ运动的速度大小；(2)金属棒滑过cd位置时的加速度大小；(3)金属棒在磁场Ⅱ中达到稳定状态时的速度大小。9．如图所示的装置由粗糙倾斜金属轨道和光滑水平金属导轨组成，导轨间距均为L；倾斜导轨的倾角为θ＝30°，且存在垂直导轨所在平面向上的匀强磁场，磁感应强度大小为B；水平导轨区域存在着方向竖直向上的磁感应强度大小也为B的匀强磁场。一根足够长的轻质绝缘细线绕过定滑轮，一端系在金属棒ab的中点上，另一端悬挂一质量为m的物块，当金属棒cd静止时，金属棒ab恰好不上滑。现用水平向右的恒定外力F(F大小未知)使金属棒cd由静止开始向右运动，经过时间t0，金属棒cd达到最大速度，此时金属棒ab恰好不下滑，撤去外力直到cd停止运动。已知金属棒ab、cd长均为L，均垂直于导轨且始终与导轨接触良好，二者质量均为m，接入电路的电阻均为R，金属棒与导轨间的最大静摩擦力等于滑动摩擦力，重力加速度为g。(1)求外力F的大小；(2)求在金属棒cd的最大速度；(3)设t＝0到t＝t0通过金属棒ab的电荷量为q，求从金属棒cd开始运动到停止过程中，金属棒ab上产生的焦耳热。10．如图所示，相距为L的两条平行金属导轨与水平地面的夹角为θ，上端接有定值电阻R，匀强磁场垂直于导轨平面，磁感应强度为B，将质量为m的导体棒从距水平地面高h(未知)处由静止释放，导体棒能沿倾斜的导轨下滑，已知导体棒下滑到地面时的速度为v，通过电阻R的电荷量为q，且下滑过程中导体棒始终与导轨垂直且接触良好，导体棒与导轨间的动摩擦因数为μ，不计导轨和导体棒的电阻，重力加速度为g，求：(1)棒释放瞬间的加速度大小？(2)棒释放的位置到地面的高度h；(3)棒从开始运动直至地面的过程中，电阻R上产生的焦耳热。11．如图所示，倾角的光滑固定斜面上，相隔的平行虚线MN与PQ间有大小为B=0.1T的匀强磁场，方向垂直斜面向下，一质量m=0.1kg电阻、边长L=1m的正方形单匝纯电阻金属线圈从距PQ上方x=2.5m处由静止释放，沿斜面下滑进入磁场，且cd边刚离开磁场时线圈恰好加速度等于零。重力加速度。求：(1)cd边刚进入磁场时线圈的速度；(2)ab边刚进入磁场时线圈的速度；(3)线圈进入磁场时通过边的电荷量q和通过整个磁场的过程中边产生的热量Q。12．如图所示，两根光滑的金属轨道置于同一水平面上，相互距离，质量为3g的金属均匀细棒置于轨道一端，跨在两根轨道上，匀强磁场方向垂直于轨道平面上，磁感应强度，轨道平面距地面高。接通电键K的瞬间，金属棒由于受到磁场力冲量作用被水平抛出，落地点距抛出点的水平距离。试求：接通K瞬间，金属棒上通过的电量是多少？(g取10m/s2)13．如图所示，固定在同一水平面内的两根平行长直金属导轨的间距为L，其右端接有阻值为R的电阻，整个装置处在竖直向上磁感应强度大小为B的匀强磁场中。一质量为m(质量分布均匀)的导体杆ab垂直于导轨放置，且与两导轨保持良好接触，杆与导轨之间的动摩擦因数为μ。现杆在水平向左、垂直于杆的恒力F作用下从静止开始沿导轨运动距离为s时，速度恰好达到最大值(运动过程中杆始终与导轨保持垂直)。设杆接入电路的电阻为r，导轨电阻不计，重力加速度大小为g。求此过程：(1)速度达到最大值时，通过R的电流大小；(2)杆的最大速度vm；(3)通过电阻R的电量q。14．间距为L的两平行金属导轨由倾斜部分和水平部分(足够长)平滑连接而成，倾斜部分导轨与水平面间夹角为，导轨上端连有阻值为R的定值电阻。空间分布着如图所示的磁场，磁场方向垂直倾斜导轨平面向上，区域内的磁场方向竖直向上，两处的磁感应强度大小均为B，为无场区域。现有一质量为m，电阻为r的细金属棒与导轨垂直放置，由图示位置静止释放后沿导轨运动，最终静止在水平导轨上。乙图为该金属棒运动过程中的速率v随时间t的变化图像(以金属棒开始运动时刻为计时起点，金属棒在斜面上运动过程中已达到最大速度，T已知)。不计摩擦阻力及导轨的电阻。(1)求金属棒运动过程中的最大速度，即乙图中的；(2)金属棒在整个运动过程中何时加速度最大？并求出该加速度值；(3)若金属棒释放处离水平导轨的高度为h(见图)，求：①金属棒在导轨倾斜部分运动时，通过电阻R的电荷量；②金属棒在整个运动过程中，电阻R上产生的焦耳热。15．如图所示，处于匀强磁场中的两根足够长、电阻不计的平行金属导轨相距L=m，导轨平面与水平面成角，上端连接阻值为的电阻。匀强磁场方向与导轨平面垂直，磁感应强度T。质量m=kg、电阻的金属棒，以初速度从导轨底端向上滑行，金属棒在安培力和一与棒垂直且平行于导轨平面的外力的共同作用下做匀变速直线运动，速度—时间图像如图所示。设金属棒与导轨垂直并保持良好接触，它们之间的动摩擦因数。已知：m/s2，，。求：(1)金属棒产生的感应电动势的最大值；(2)当金属棒速度为向上3m/s时，施加在金属棒上外力F做功的功率；(3)金属棒在0＜t＜2s、2s＜t＜4s内外力随时间t变化的函数关系式。16．如图所示，两竖直放置、相距为L的平行光滑金属导轨J和K的顶端用一导线相连，在导轨两个不同区域内存在两个相同但相距高度为h的匀强磁场Ⅰ和Ⅱ，设两磁场竖直宽度均为d，磁感应强度大小为B，方向垂直纸面向里。有一阻值为R、质量为M、长度为L的金属棒水平紧靠两竖直导轨，从距离磁场Ⅰ上边界高H(H>h)处由静止释放后，金属棒穿过了两磁场，且金属棒在进入两磁场时的电流恰好相等，不计金属导轨电阻，重力加速度为g。求：(1)金属棒进入磁场Ⅰ的瞬间，所受安培力的大小；(2)当金属棒刚好穿过磁场Ⅱ时，在这一过程中金属棒上产生的总热量Q。17．如图所示，两根足够长的平行金属导轨MN、PQ竖直放置，导轨光滑且电阻不计，导轨间距为L，上端与一阻值为R的定值电阻相连，两平行虚线Ll、L2间有一与导轨所在平面垂直、磁感应强度为B的有界匀强磁场，磁场宽度为d，电阻也为R、质量为m的细金属棒ab垂直导轨放置在导轨上。现将金属棒ab从距上边界L1高度为h处由静止释放，棒进入磁场中先做减速运动后做匀速运动，已知棒ab始终与虚线L1平行并与导轨电接触良好，重力加速度为g，求∶(1)棒ab刚进入磁场时的速度v及此时棒中的电流大小I；(2)棒ab经过磁场的过程中，通过电阻R的电量q；(3)棒ab经过磁场的过程中，电阻R上产生的焦热QR。18．如图所示装置由水平轨道与倾角为θ＝30°的倾斜轨道连接而成。水平轨道所在空间存在磁感应强度大小为B＝0.5T、方向竖直向上的匀强磁场；倾斜轨道所在空间存在磁感应强度大小为B＝0.5T、方向垂直于轨道平面向上的匀强磁场。质量m＝0.1kg、长度L＝1m、电阻R1＝0.1Ω的导体棒ab置于倾斜轨道上，刚好不下滑；然后将电阻R2＝0.4Ω、质量、长度与棒ab相同的光滑导体棒cd置于水平轨道上，用恒力F＝4N拉棒cd，使之在水平轨道上向右运动。棒ab、cd与导轨垂直，且两端与导轨保持良好接触，设最大静摩擦力等于滑动摩擦力，重力加速度为g＝10m/s2，不计轨道电阻。(1)求ab与导轨间的动摩擦因数μ；(2)求当ab刚要向上滑动时cd速度v的大小；(3)若从cd刚开始运动到ab刚要上滑过程中，cd在水平轨道上移动的距离为x＝0.5m，求此过程中ab上产生的热量Qab。19．如图所示，两平行光滑的金属导轨AD、CE相距L=1.0m，导轨平面与水平面的夹角α=30°，下端用导线连接R=0.40Ω的电阻，导轨电阻不计。PQGH范围内存在方向垂直导轨平面的磁场，磁场的宽度d=0.40m，边界PQ、HG均与导轨垂直。质量m=0.10kg、电阻r=0.10Ω的金属棒MN垂直放置在导轨上，且两端始终与导轨电接触良好，从与磁场上边界GH距离也为d的位置由静止释放。g=10m/s2(1)若PQGH范围内存在着磁感应强度B=0.50T的匀强磁场，求金属棒刚进入磁场时棒两端的电压UMN；(2)若PQGH范围内存在着磁感应强度随高度变化的磁场(在同一水平线上各处磁感应强度相同)，金属棒进入磁场后，以a=2.5m/s2的加速度做匀加速运动，求磁场上边缘(紧靠GH)的磁感应强度；(3)在(2)的情况下，金属棒在磁场区域运动的过程中，电阻R上产生的热量是多少？20．如图所示，两条相距L的足够长平行导轨放置在倾角为的斜面上，阻值为R的电阻与导轨相连，质量为m的光滑导体棒MN垂直于导轨放置，整个装置在垂直于斜面向下的匀强磁场中，磁场磁感应强度的大小为B。轻绳一端与导体棒相连，另一端跨过定滑轮与一个质量也为m的物块相连，且滑轮与杆之间的轻绳与斜面保持平行，物块距离地面足够高，导轨电阻不计、导体棒电阻为r，轻绳与滑轮之间的摩擦力不计，重力加速度为g。从将物块由静止释放，导体棒滑行距离x速度达到最大，求此过程中：(1)导体棒的最大速度；(2)导体棒的最大加速度；(3)导体棒产生的热量。(友情提醒：g不得用代入)21．如图甲所示，一电阻不计且足够长的固定光滑平行金属导轨MN、PQ间距，下端接有阻值的电阻，导轨平面与水平面间的夹角整个装置处于方向垂直导轨平面向上的匀强磁场中。一质量、阻值的金属棒垂直导轨放置并用绝缘细线通过光滑的定滑轮与质量的重物相连，左端细线连接金属棒中点且沿NM方向。棒由静止释放后，沿NM方向位移x与时间t之间的关系如图乙所示，其中ab为直线。已知棒在内通过的电荷量是内通过电荷量的2倍，取，求：(1)内棒通过的位移的大小；(2)电阻R在内产生的热量。22．如图所示，PQMN与CDEF为两根足够长的固定平行金属导轨，导轨间距为L。PQ、MN、CD、EF为相同的弧形导轨；QM、DE为足够长的水平导轨。导轨的水平部分QM和DE处于竖直向上的匀强磁场中，磁感应强度为B，a、b为材料相同、长都为L的导体棒，跨接在导轨上。已知a棒的质量为3m、电阻为R，b棒的质量为m、电阻为3R，其它电阻不计。金属棒a和b都从距水平面高度为h的弧形导轨上由静止释放，分别通过DQ、EM同时进入匀强磁场中，a、b棒在水平导轨上运动时不会相碰。若金属棒a、b与导轨接触良好，且不计导轨的电阻和棒与导轨的摩擦。(1)金属棒b向左运动速度大小减为0时，金属棒a的速度多大？(2)金属棒a、b进入磁场后，如先离开磁场的某金属棒在离开磁场前已匀速运动，此棒从进入磁场到匀速运动的过程b棒产生的焦耳热多大？(3)从b棒速度减为零至两棒达共速过程中二者的位移差是多大？23．如图1所示，平行光滑金属轨道ABC和置于水平地面上，两轨道之间的距离，之间连接一定值电阻，倾角的倾斜轨道与水平轨道顺滑连接，为宽的矩形区域，区域内存在磁感应强度、方向竖直向上的匀强磁场。质量，电阻的导体棒在倾斜轨道上与距离处静止释放，当经过时，右侧宽度为的矩形区域内开始加上如图2所示的磁场，已知，重