2021届高考二轮复习：专题4电磁感应问题—导数法在物理解题中的应用

专题4 电磁感应问题（原卷版） —导数法在物理解题中的应用 如图，质量为M的足够长金属导轨abcd放在光滑的绝缘水平面上。一电阻不计，质量为m的导体棒PQ放置在导轨上，始终与导轨接触良好，PQbc构成矩形。棒与导轨间动摩擦因数为μ，棒左侧有两个固定于水平面的立柱。导轨bc段长为L，开始时PQ左侧导轨的总电阻为R，右侧导轨单位长度的电阻为R0。以ef为界，其左侧匀强磁场方向竖直向上，右侧匀强磁场水平向左，磁感应强度大小均为B。在t=0时，一水平向左的拉力F垂直作用在导轨的bc边上，使导轨由静止开始做匀加速直线运动，加速度为a。 （1）求回路中感应电动势及感应电流随时间变化的表达式； （2）经过多长时间拉力F达到最大值，拉力F的最大值为多少？ （3）某过程中回路产生的焦耳热为Q，导轨克服摩擦力做功为W，求导轨动能的增加量。 例题1. 一手摇交流发电机线圈在匀强磁场中匀速转动。转轴位于线圈平面内,并与磁场方向垂直。产生的交变电流i随时间t变化关系如图所示,则 A.该交变电流频率是0.4 Hz B.该交变电流有效值是0.8 A， C.t=0. I s时，穿过线圈平面的磁通量最小 D.该交变电流瞬时值表达式是i=0.8sin 5πt 例题2. 如图，U形光滑金属框abcd置于水平绝缘平台上，ab和dc边平行，和bc边垂直。ab、dc足够长，整个金属框电阻可忽略。一根具有一定电阻的导体棒MN置于金属框上，用水平恒力F向右拉动金属框，运动过程中，装置始终处于竖直向下的匀强磁场中，MN与金属框保持良好接触，且与bc边保持平行。经过一段时间后（　　） A. 金属框的速度大小趋于恒定值 B. 金属框的加速度大小趋于恒定值 C. 导体棒所受安培力的大小趋于恒定值 D. 导体棒到金属框bc边的距离趋于恒定值 例3.如图，U形光滑金属框abcd置于水平绝缘平台上，ab和dc边平行，和bc边垂直。ab、dc足够长，整个金属框电阻可忽略。一根具有一定电阻的导体棒MN置于金属框上，用水平恒力F向右拉动金属框，运动过程中，装置始终处于竖直向下的匀强磁场中，MN与金属框保持良好接触，且与bc边保持平行。经过一段时间后（　　） A. 金属框的速度大小趋于恒定值 B. 金属框的加速度大小趋于恒定值 C. 导体棒所受安培力的大小趋于恒定值 D. 导体棒到金属框bc边的距离趋于恒定值 例4.如图所示，平面直角坐标系的第一和第二象限分别存在磁感应强度大小相等、方向相反且垂直于坐标平面的匀强磁场，图中虚线方格为等大正方形。一位于Oxy平面内的刚性导体框abcde在外力作用下以恒定速度沿y轴正方向运动（不发生转动）。从图示位置开始计时，4s末bc边刚好进入磁场。在此过程中，导体框内感应电流的大小为I， ab边所受安培力的大小为Fab，二者与时间t的关系图像，可能正确的是（　　） A. B. C. D. $$专题4 电磁感应问题（解析版） —导数法在物理解题中的应用 如图，质量为M的足够长金属导轨abcd放在光滑的绝缘水平面上。一电阻不计，质量为m的导体棒PQ放置在导轨上，始终与导轨接触良好，PQbc构成矩形。棒与导轨间动摩擦因数为μ，棒左侧有两个固定于水平面的立柱。导轨bc段长为L，开始时PQ左侧导轨的总电阻为R，右侧导轨单位长度的电阻为R0。以ef为界，其左侧匀强磁场方向竖直向上，右侧匀强磁场水平向左，磁感应强度大小均为B。在t=0时，一水平向左的拉力F垂直作用在导轨的bc边上，使导轨由静止开始做匀加速直线运动，加速度为a。 （1）求回路中感应电动势及感应电流随时间变化的表达式； （2）经过多长时间拉力F达到最大值，拉力F的最大值为多少？ （3）某过程中回路产生的焦耳热为Q，导轨克服摩擦力做功为W，求导轨动能的增加量。 【答案】 1. 感应电动势 导轨做初速为零的匀加速运动，， 所以 回路中感应电流随时间变化的表达式 1. 导轨受外力F，安培力，摩擦力。其中 由牛顿定律 上式中，当，即时外力F取极大值。 (3)设在此过程中导轨运动距离，由动能定理 由于摩擦力，所以摩擦力做功 。 【点评】本题考查电磁感应，匀变速运动，牛顿定律等知识点以及分析判断能力及极值的计算等数学方法。难度：难。 在式子的极值的计算中，答案用了变形，然后根据两式之积一定时，两式相等时其和最小的数学方法，因分母最小，分式取最大值。 也可以用导数法求极值。设上式的分母为，取导数：，令其等于0，解得极值条件为。代入得，此时，， 。 例题1. 一手摇交流发电机线圈在匀强磁场中匀速转动。转轴位于线圈平面内,并与磁场方向垂直。产生的交变电流i随时间t变化关系如图所示,则 A.该交变电流频率是0.4 Hz B.该交变电流有效值是0.8 A， C.t=0. I s时，穿过线圈平面的磁通量最小