热点12 导线框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12导线框进出磁场的电磁感应模型热点12导线框进出磁场的电磁感应模型1.高考命题中，电磁感应问题中导线框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。对导线框受力分析和运动分析，分析哪个边在切割磁感线，哪个边相当于电源，电磁感应中的线框模型是电磁感应的一种综合题型，是电磁感应与电路、电场、磁场导体的受力和运动等的综合，题中力现象电磁现象相互联系、相互影响、相互制约。一、线框在竖直方向上穿过有界磁场区域如图所示，线框穿越有界磁场的问题，是关于电磁感应的动力学分段讨论问题。线框的运动一般经历以下五个阶段：接近磁场、穿入磁场、浸没磁场(假定能全部浸没)、穿出磁场，远离磁场．其中一、三、五阶段，线框只受重力作用，二、四阶段有电磁感应．下面根据穿入情景的不同，把该类问题大致分为以下三类：（空气阻力不计）匀速穿入．当自由落体的高度恰等于临界高度时，线框刚进入磁场时的速度使得安培力恰等于线框重力，线框匀速穿入磁场，如图(①)所示．加速穿入．当自由落体的高度较低时，线框刚进入磁场时的速度较小，使得安培力小于重力，线框变加速穿入磁场．根据线框长度的不同，加速穿入又分为三种情景：一种是线框长度较短，当完全穿入时，安培力依旧小于重力；一种是线框长度恰好等于临界长度，当刚好完全穿入时，安培力恰等于重力；一种是线框长度较长，先加速再匀速，以至于完全穿入磁场，如图(②和b)所示．(3)减速穿入．当自由落体的高度较高时，线框刚进入磁场时的速度较大，使得安培力大于重力，线框变减速穿入磁场．根据线框长度的不同，减速穿入又分为三种情景：一种是线框长度较短，当完全穿入时，安培力依旧大于重力；一种是线框长度恰好等于临界长度，当刚好完全穿入时，安培力恰等于重力；一种是线框长度较长，先减速再匀速，以至于完全穿入磁场，如图(③和c)所示．归纳：线框全部浸没在磁场中，做竖直下抛运动．穿出磁场时的情景，要依据速度的大小继续讨论．穿出是加速还是减速，有没有匀速运动，完全要结合问题的实际，视磁场宽度和线框长度而定．需要强调的是，一定的速度对应着一定的安培力，速度大则安培力大，速度小则安培力小，使安培力等于重力的速度是唯一的．二、电磁感应动力学问题的解题策略三、分析电磁感应中的图像问题的思路与方法图像类型(1)各量随时间变化的图像：如B-t图像、Φ-t图像、E-t图像、I-t图像、F-t图像等。(2)各量随位移变化的图像：如E-x图像、I-x图像等。问题类型(1)根据给定的电磁感应过程选择有关图像。(2)根据给定的图像分析电磁感应过程。(3)根据某种图像分析判断其它图像。常用规律有关方向的判断左手定则、安培定则、右手定则、楞次定律六类公式(1)平均感应电动势E＝neq\f(ΔΦ,Δt)。(2)平动切割电动势E＝Blv。(3)转动切割电动势E＝eq\f(1,2)Bl2ω(以一端为轴)。(4)闭合电路的欧姆定律I＝eq\f(E,R＋r)。(5)安培力F＝IlB。(6)牛顿运动定律及运动学的相关公式等。常用排除法定性地分析电磁感应过程中物理量的变化趋势(增大还是减小)、变化快慢(均匀变化还是非均匀变化)，特别是分析物理量的正负，以排除错误的选项。方法函数法根据题目所给条件定量地写出两个物理量之间的函数关系，然后由函数关系对图像进行分析和判断。四、解答电磁感应中的图像问题的基本步骤1．明确图像的种类，即是B-t图像还是Φ-t图像，或者E-t图你、I-t图像等。2．分析电磁感应的具体过程。3．用右手定则或楞次定律确定方向的对应关系。4．结合安培力公式、法拉第电磁感应定律、闭合电路的欧姆定律、牛顿运动定律等知识写出相应的函数关系式。5．根据函数关系式，进行数学分析，如分析斜率的变化、截距等。6．画出图像或判断选择图像。五、电磁感应过程中的电荷量公式：q＝eq\f(nΔФ,R总)1．推导：在产生感应电流的电路中，设电路的总电阻为R总，在时间Δt内通过导体横截面的电荷量为q。由法拉第电磁感应定律得eq\x\to(E)＝eq\f(nΔΦ,Δt)由闭合电路的欧姆定律得eq\x\to(I)＝eq\f(\x\to(E),R总)由电流定义式得q＝eq\x\to(I)Δt联立解得q＝neq\f(ΔΦ,R总)。2．结论：电磁感应过程中产生的感应电荷量由线圈的匝数、磁通量的变化量及电路的总电阻共同决定，与时间Δt无关。（建议用时：60分钟）一、单选题1．（2023·山东菏泽·统考二模）如图所示，“”形金属框静止于光滑绝缘的水平桌面上，金属框总质量为，总阻值为，各边粗细均匀且材料相同，相邻边相互垂直，，。其右侧是宽度为的匀强磁场区域，磁感应强度大小为，方向垂直于水平桌面向下。金属框在垂直于磁场边界的水平拉力的作用下以速度向右匀速通过磁场，边始终与磁场边界平行。下列说法正确的是（

）A．从边刚进入磁场到和边刚要进入磁场的过程中，、间的电势差为B．在、边刚进入磁场时，金属框中的电流为C．金属框穿过磁场的整个过程，拉力做的功为D．金属框穿过磁场的整个过程，拉力做的功为2．如图，一个正方形导线框以初速v0向右穿过一个有界的匀强磁场。线框两次速度发生变化所用时间分别为t1和t2，以及这两段时间内克服安培力做的功分别为W1和W2，则（）A．t1＜t2，W1＜W2 B．t1＜t2，W1>W2C．t1>t2，W1＜W2 D．t1>t2，W1>W23．（2023·云南昆明·统考一模）如图所示，间距为d的两水平虚线之间有方向垂直于竖直平面向里的匀强磁场，正方形金属线框的边长为。线框从边距磁场上边界h处自由下落，下落过程中线框始终在竖直平面内且边保持水平。已知边进入磁场瞬间、边进入磁场瞬间及边离开磁场瞬间线框的速度均相同。设线框进入磁场的过程中产生的热量为，离开磁场的过程中产生的热量为。不计空气阻力，则（）A． B． C． D．4．如图所示，在直角坐标系的第一象限中，有一等腰直角，区域内存在垂直纸面向里的匀强磁场，点在轴上，点在轴上，各点间距离。边长也为的正方形导线框的边在轴上，时刻，该导线框恰好位于图中所示位置（边与轴重合），此后导线框在外力的作用下沿轴正方向以恒定的速度通过磁场区域。若规定逆时针方向为导线框中电流的正方向，则导线框通过磁场区域的过程中，导线框中的感应电流、外力沿轴方向的分量随导线框的位移变化的图像（图中曲线均为抛物线的一部分）中正确的是（）A． B．C． D．二、多选题5．（2024·广东茂名·统考一模）如图（a）所示，底部固定有正方形线框的列车进站停靠时，以初速度v水平进入竖直向上的磁感应强度为B的正方形有界匀强磁场区域，如图（b）所示，假设正方形线框边长为，每条边的电阻相同.磁场的区域边长为d，且，列车运动过程中受到的轨道摩擦力和空气阻力恒定，下列说法正确的是（）A．线框右边刚刚进入磁场时，感应电流沿图（b）逆时针方向，其两端的电压为B．线框右边刚刚进入磁场时，感应电流沿图（b）顺时针方向，其两端的电压为C．线框进入磁场过程中，克服安培力做的功等于线框中产生的焦耳热D．线框离开磁场过程中，克服安培力做的功等于线框减少的动能6．（2024·上海嘉定·统考一模）列车进站时，其刹车原理可简化如图，在车身下方固定一单匝矩形线框，利用线框进入磁场时所受的安培力，辅助列车刹车。已知列车的质量为m，车身长为s，线框的ab和cd长度均为L（L小于匀强磁场的宽度），线框的总电阻为R。站台轨道上匀强磁场区域足够长，磁感应强度的大小为B。车头进入磁场瞬间的速度为，列车停止前所受铁轨及空气阻力的合力恒为f。车尾进入磁场瞬间，列车刚好停止。下列正确的是（

）

A．列车进站过程中电流方向为abcdaB．列车ab边进入磁场瞬间，线框的电流大小为C．列车从进站到停下来的过程中，减少的动能等于线框产生的热量D．列车ab边进入磁场瞬间，加速度大小7．如图所示，在坐标系中，有边长为L的正方形金属线框，其一条对角线和y轴重合、顶点a位于坐标原点O处。在y轴的右侧，在Ⅰ、Ⅳ象限内有一垂直纸面向里的匀强磁场，磁场的上边界与线框的边刚好完全重合，左边界与y轴重合，右边界与y轴平行。时刻，线框以恒定的速度v沿垂直于磁场上边界的方向穿过磁场区域，取沿a→b→c→d→a方向的感应电流为正，则在线框穿过磁场区域的过程中，感应电流i、间的电势差随时间t变化的图线是下图中的（

）

A．

B．

C．

D．三、解答题8．（2023·江西宜春·校联考二模）如图所示，在竖直平面内建立坐标系，在区域内存在一具有理想边界、方向垂直纸面向里、磁感应强度大小的匀强磁场区域。一边长、质量、电阻的匀质正方形刚性导线框处于图示位置，其中心位于处。现将线框以的速度水平向右抛出，线框进入磁场后从磁场右边界穿出。整个运动过程中，线框始终处于平面内，边与轴保持平行，空气阻力不计，取重力加速度大小。求：（1）线框的边进入磁场时的速度大小；（2）线框的边离开磁场时两端的电压U；（3）线框进入磁场的过程中产生的焦耳热Q。

9．某种飞船的电磁缓冲装置结构简化图如图所示。在缓冲装置的底板上，沿竖直方向固定着两个光滑绝缘导轨NP、MQ。导轨内侧安装电磁铁（图中未画出），能产生垂直于导轨平面的匀强磁场，磁感应强度为B。绝缘缓冲底座上绕有n匝闭合矩形线圈，线圈总电阻为R，ab边长为L。假设整个返回舱以速度与地面碰撞后，绝缘缓冲底座立即停下，船舱主体在磁场作用下减速，从而实现缓冲。返回舱质量为m，地球表面重力加速度为g，一切摩擦阻力不计，缓冲装置质量忽略不计。（1）求绝缘缓冲底座的线圈中最大感应电流的大小（2）若船舱主体向下移动距离H后速度减为v，此过程中缓冲线圈中通过的电量和产生的焦耳热各是多少？10．如图，光滑绝缘水平面内有边长、电阻、质量的正方形线框，开始线框静止在水平面上，线框右侧距线框ab边处有宽、方向竖直向下的匀强磁场区域。现对线框施加大小为、方向水平向右的恒定拉力，在线框边到达磁场左边界时撤去拉力，当线框完全进入磁场后再对其施加大小为、方向水平向右的拉力。已知线框边到达磁场右边界时的速度，线框进入磁场的过程中，线框速度与线框边到磁场左边界距离之间满足关系式（为线框ab边刚到达磁场左边界时的速度，常量c未知），重力加速度g取。（1）求线框进入磁场过程中产生的焦耳热Q。（2）求磁场磁感应强度B的大小。（3）若线框ab边到达磁场右边界瞬间，立即改变拉力的大小，使线框能以的加速度匀减速离开磁场，取ab边到达磁场右边界时为时刻，求线框离开磁场的过程中，拉力与线框运动时间t的关系式。

（建议用时：60分钟）一、单选题1．如图所示，正方形匀质刚性金属框（形变量忽略不计），边长为，质量为，距离金属框底边处有一方向水平、垂直纸面向里的匀强磁场，磁感应强度。磁场区域上下边界水平，高度为，左右宽度足够大。把金属框在竖直平面内以的初速度水平无旋转地向右抛出，金属框恰好能匀速通过磁场，不计空气阻力，取。下列说法不正确的是（）A．刚性金属框电阻为B．通过磁场的整个过程中，金属框的两条竖直边都不受安培力作用C．通过磁场的过程中，克服安培力做功为D．改变平抛的初速度大小，金属框仍然能匀速通过磁场2．（2023·贵州黔东南·统考一模）如图所示，水平光滑绝缘桌面上的正方形ABCD区域内存在竖直向上的匀强磁场，将一正方形导体框abcd分别从AB、BC边以速度v、2v匀速拉出磁场，则导体框两次被拉出磁场时拉力的功率之比为（

）

A．1：1 B．1：2 C．1：3 D．1：43．（2023·江苏扬州·统考三模）如图所示，边长为a，电阻为R的正方形导线框PQMN进入磁感应强度为B的匀强磁场。图示位置线框速度大小为v，此时（）

A．NM间电势差等于NP间电势差B．线框中电流大小为C．线框所受安培力大小为D．线框所受安培力方向与运动方向相反4．如图所示，一个边长为的正方形线框，其电阻为，线框以恒定的速度运动，在时刻线框开始进入图中所示的匀强磁场区域，磁感应强度大小为，磁场的边界与速度的夹角为，线框的边与磁场边界的夹角也为，线框在进入磁场的过程中，下列关于线框中的感应电流i随时间变化的图像或线框所受安培力随时间变化的图像可能正确的是（）

A．

B．

C．

D．

二、多选题5．光滑水平面上有两个相邻互不影响的有界匀强磁场Ⅰ、Ⅱ，磁场方向为垂直纸面，两磁场的磁感应强度大小相等方向相反，如图所示，磁场宽度均为，有一边长也为L的正方形闭合线框，从磁场外以速度进入磁场，当线框边进入磁场I时施加向右的水平恒力，边进入磁场I过程线框做匀速运动，进入磁场Ⅱ区域某位置后线框又做匀速运动，已知线框的质量，以下说法正确的是（）A．线框边刚进入磁场Ⅱ时加速度大小为B．线框第二次匀速运动的速度大小为0.5m/sC．线框边在磁场Ⅰ、Ⅱ中运动时间为0.3sD．线框边在磁场Ⅰ、Ⅱ中运动时整个线框产生的内能为0.375J6．M和N两水平线间存在垂直纸面向里的匀强磁场，磁场高度为h，竖直平面内有质量为m、电阻为R的直角梯形线框，上下底水平且底边之比为5：1，梯形高为2h。该线框从AB到磁场上边界的距离为h的位置由静止下落，下落过程底边始终水平，线框平面始终与磁场方向垂直。已知AB刚进入磁场时和AB刚穿出磁场时线框加速度为零，在整个运动过程中，说法正确的是（

）A．AB边匀速穿过磁场B．从AB边刚穿出到CD边刚要进入磁场的过程中，线框做匀速运动C．CD边刚进入磁场时，线框的加速度为，方向竖直向上D．从线框开始下落到AB边刚穿出磁场的过程中，线框产生的焦耳热和重力做功之比31：167．如图所示，矩形闭合导体线框在匀强磁场上方，从不同高度由静止释放，用t1、t2分别表示线框ab边和cd边刚进入磁场的时刻。线框下落过程ab边始终保持与磁场水平边界线OO'平行，线框平面与磁场方向垂直。设OO'下方磁场区域足够大，不计空气阻力影响，则线框下落过程中速度v随时间t变化的图像可能正确的是（）A． B．C． D．8．由相同材料的导线绕成边长相同的甲、乙两个正方形闭合线圈，两线圈的质量相等，但所用导线的横截面积不同，甲线圈的匝数是乙的2倍。现两线圈在竖直平面内从同一高度同时由静止开始下落，一段时间后进入一方向垂直于纸面的匀强磁场区域，磁场的上边界水平，如图所示。不计空气阻力，已知下落过程中线圈始终平行于纸面，上、下边保持水平。在线圈下边进入磁场后且上边进入磁场前，可能出现的是（）A．甲和乙都加速运动B．甲和乙都减速运动C．甲加速运动，乙减速运动D．甲减速运动，乙加速运动三、解答题9．如图甲所示，两条平行虚线间有垂直于纸面向外的匀强磁场，单匝正方形导线框abcd在外力作用下从图示位置由静止开始水平向右运动，ab边始终与虚线平行，导线框中感应电流的大小i随位移x的变化规律如图乙所示。已知磁感应强度大小为，导线框总电阻为。求：（1）导线框进入磁场的过程中通过导线横截面的电荷量；（2）cd边刚要出磁场时导线框的加速度大小；（3）导线框穿过磁场的过程中产生的焦耳热。10．如图甲所示，在竖直平面内有四条间距相等的水平虚线、、、。在、之间，、之间存在匀强磁