专项23 电磁感应中的动力学和能量、动量问题(专项训练)(广东专用)2027年高考物理一轮复习讲练测
2026-10-15
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内容正文:
专项23 电磁感应中的动力学和能量、动量问题(专项训练)
目 录
模拟·基础演练 1
题型01 电磁感应中动力学、能量和动量问题 1
重难·创新演练 10
真题·实战演练 13
模拟·基础演练
考查重点:电磁感应中动力学、能量和动量问题,该问题为动力学三大观点的综合,涉及的内容包括牛顿运动定律、动量定理、动量守恒定律、动能定理、机械能守恒定律、能量守恒定律等。
⏳题型01 电磁感应中动力学、能量和动量问题
1.(26-27高三上·云南昭通·阶段检测)某物理兴趣小组设计的电磁感应探究实验装置如图所示:轨道分为水平金属导轨段、倾角的倾斜金属导轨段、竖直圆弧绝缘段(圆心角大于143°)三部分,导轨间距。和两矩形区域内存在竖直向上、磁感应强度的匀强磁场,到的水平距离为。两相同的导体棒a、b质量均为、电阻均为,a以的水平速度从处向右运动,b静置在与之间,两棒始终与导轨垂直且接触良好,水平轨道与倾斜轨道平滑连接,金属导轨电阻不计,a、b间的碰撞为弹性碰撞,忽略一切摩擦,重力加速度为。(,)
(1)求导体棒a刚开始运动时的加速度大小;
(2)求导体棒a在水平导轨上运动过程中通过导体棒a的电荷量q及到达处的速度大小;
(3)测得倾斜轨道长为,导体棒b通过倾斜轨道的时间为。要使导体棒上滑过程不脱离圆弧轨道,求圆弧轨道半径R的范围。
【答案】(1),方向水平向左
(2),
(3)或
【难度】0.42
【知识点】绳/单层轨道模型、应用动能定理解决多段过程问题、动量定理的内容、弹性碰撞:动碰静、无外力作用下,水平导轨上的单杆模型
【详解】(1)导体棒刚开始运动时,产生的感应电动势为
由闭合电路欧姆定律可得,回路中的电流为
受力分析可得导体棒水平只受安培力的作用,由牛顿第二定律可得
联立以上式子可得导体棒的加速度为
(2)导体棒a在水平导轨上运动过程中,回路中的电流为,,
可得
竖直方向上合外力为0,水平方向只受安培力,以水平向右为正,则由动量定理可得
可得导体棒到达处的速度为
(3)导体棒a、b质量相等,发生弹性碰撞,动量守恒、机械能守恒,
可得、
b棒在倾斜轨道上运动时,受重力、支持力和安培力作用,设任意时刻b棒的速度大小为,则由b棒切割产生的电动势大小为
故安培力沿斜面方向的分量大小为
方向沿斜面向下。
对b 棒沿倾斜轨道方向应用动量定理得
整理得,b 棒到达P2Q2处的速度大小
代入数据解得
P2 P3、Q2 Q3部分是竖直圆弧绝缘轨道,要使导体棒上滑过程不脱离圆弧轨道,则需满足 b 棒上滑高度不超过圆心等高处或能通过圆弧最高点。
在第一种情况下,由机械能守恒定律可知
解得
在第二种情况下,b 棒恰能通过圆弧轨道顶端的临界速度,满足
由动能定理可知
解得
综上,要使导体棒上滑过程不脱离圆弧轨道,则圆弧轨道半径需满足或
2.(2026·云南怒江·一模)某物理兴趣小组设计了一个电磁弹射缓冲实验装置,如图所示,倾角均为、宽度的两平行光滑倾斜导轨CD、HG的顶端连接电动势、内阻的直流电源。DG以上区域存在垂直导轨平面向下、磁感应强度大小的匀强磁场。一质量、电阻的金属棒甲垂直导轨放置,金属棒甲的长度恰为L,金属棒甲与导轨始终接触良好。闭合开关S瞬间,将金属棒甲由静止释放,金属棒甲向下运动一段时间达到匀速后穿出磁场边界DG,经过绝缘圆弧轨道进入足够长的光滑水平导轨MN、QP。导轨电阻不计,取重力加速度大小。
(1)求金属棒甲释放后瞬间的加速度大小a;
(2)求金属棒甲在倾斜导轨上匀速运动时的速度大小v;
(3)金属棒甲经过绝缘圆弧后,到达光滑水平导轨上时的速度大小,MQ右侧存在竖直向下、磁感应强度大小也为B的匀强磁场,金属棒乙、丙通过轻质绝缘弹簧连接,静止在水平导轨上,金属棒乙恰好与磁场边界MQ重合,此时弹簧处于原长,三根金属棒甲、乙、丙完全相同,金属棒甲与乙在MQ处发生完全非弹性碰撞(时间极短),碰后粘为一体,经过一段时间后,乙、丙间距最小且该过程中金属棒丙产生的焦耳热,求该过程中弹簧的最大弹性势能。
【答案】(1)
(2)
(3)
【难度】0.49
【知识点】能量守恒定律的初步应用、完全非弹性碰撞、斜轨道上的导体棒受力分析、双杆在等宽导轨上运动问题
【详解】(1)金属棒甲释放后瞬间,根据闭合电路欧姆定律有
根据左手定则和牛顿第二定律有
解得
(2)金属棒甲在倾斜导轨上匀速运动时,根据平衡条件有
根据闭合电路欧姆定律有
解得
(3)金属棒甲与乙在MQ处发生碰撞,设碰后共同速度为,根据动量守恒定律有
解得
当金属棒甲、乙、丙三者共速时,弹簧压缩量达到最大,设共同速度,根据动量守恒定律有
解得
设弹簧压缩过程中产生的总热量为,金属棒甲、乙粘连后并联接入电路,其等效电阻为
金属棒丙产生的焦耳热
根据能量守恒定律有
解得
3.(26-27高三上·四川成都·开学考试)如图所示,固定的两条平行金属导轨MNPQ和M′N′P′Q′左侧的曲面部分是半径为R=5m的四分之一光滑圆弧,水平光滑导轨部分存在方向竖直向上、磁感应强度大小为B=0.5T的匀强磁场,导轨间距为L=2m,右侧倾斜导轨与水平导轨平滑连接。倾斜导轨与水平面的夹角为θ=37°,倾斜导轨最上端连接有阻值为R=1Ω的定值电阻。现将质量为m=1kg、长度为L=2m、阻值为R=1Ω的金属棒从左侧圆弧最高点由静止释放,穿过磁场区域后沿倾斜导轨上升,上升的最大高度为h=0.75m。已知金属棒与倾斜导轨间的动摩擦因数为μ=0.5,忽略金属棒通过NN′、PP′时的能量损失,金属棒与导轨始终保持良好接触,不计导轨电阻,sin37°=0.6,cos37°=0.8,重力加速度g取10m/s²。求:
(1)金属棒第一次进入磁场时所受安培力大小;
(2)水平导轨的长度 d;
(3)金属棒最终停止的位置与PP′的距离及全过程金属棒上产生的焦耳热。
【答案】(1)
(2)
(3),
【难度】0.39
【知识点】无外力作用下,水平导轨上的单杆模型、倾斜平面内的导轨单杆模型
【详解】(1)金属棒从圆弧最高点下滑到圆弧底端(刚进入水平磁场)的过程,圆弧轨道光滑,由机械能守恒
代入数据解得进入磁场的初速度
此时金属棒产生的感应电动势
回路总电阻为金属棒电阻与定值电阻之和
感应电流
安培力
(2)设金属棒离开磁场(到达PP′位置)时的速度为v1,金属棒沿倾斜导轨上升到最大高度h=0.75m的过程,由动能定理
解得
金属棒在磁场中运动时,取向右为正方向,由动量定理得安培力的冲量等于动量变化,即
其中
整理得
代入数值解得
(3)金属棒从倾斜导轨最高点返回时,因为
金属棒会沿斜面下滑返回水平磁场区域,最终金属棒会在安培力作用下减速到0,停在PP′左侧的水平导轨上。对金属棒沿斜面下滑的过程,由动能定理
解得
金属棒以从右向左进入磁场区域时,受到向左的安培力做减速运动。若金属棒能减速到0,设向左运动的最大位移为x,对该过程用动量定理得
解得
说明金属棒向左运动还未到达磁场左边界时速度就已经减为0,之后将一直停在磁场区域内,不会再返回倾斜导轨。所以金属棒最终停止的位置与PP′的距离为。
全过程总能量守恒:金属棒初始的重力势能,最终全部转化为摩擦生热和回路总焦耳热,即
解得回路总焦耳热
由于金属棒电阻和定值电阻阻值相等,两者串联时焦耳热按电阻分配,因此金属棒上产生的焦耳热
4.(22-23高三上·安徽·阶段检测)如图所示,两根光滑金属导轨平行放置,间距为L,左侧倾斜导轨与水平面所成的夹角为,且存在方向垂直倾斜导轨平面向上的匀强磁场(大小未知),右侧部分导轨水平,矩形区域abcd内存在方向竖直向上的匀强磁场(大小未知),金属棒M用锁扣固定在距ab为处.金属棒N从倾斜导轨的某一位置由静止释放,并在进入水平导轨前以速度大小v做匀速运动,最后刚好未与M发生碰撞.已知ab、cd的间距为x,两金属棒的质量均为m、在导轨间的电阻均为R,倾斜导轨和水平导轨平滑连接,两金属棒始终与导轨接触良好且运动过程中保持垂直,不计导轨的电阻,重力加速度为g。
(1)求的大小;
(2)求N在水平导轨运动过程中通过回路的电荷量;
(3)若在N到达ab附近前打开锁扣,M出磁场时的速度大小为,求N出磁场时的速度大小。(M、N未在磁场区域发生碰撞)
【答案】(1);(2);(3)
【难度】0.4
【知识点】双杆在等宽导轨上运动问题
【详解】(1)N在倾斜导轨上做匀速运动时,受力平衡有
又
由欧姆定律有
由法拉第电磁感应定律有
联立解得
(2)N从刚进入磁场到停止,由动量定理有
根据电流的定义式及欧姆定律有
由法拉第电磁感应定律有
联立解得
(3)设磁场运动的过程中,M运动到cd边时,M、N在磁场中相对靠近的位移为,则此时N棒到cd边的距离为;
对于M,由动量定理有
又根据电流的定义式及欧姆定律有
由法拉第电磁感应定律有
联立解得
设此时N的速度大小为,由动量守恒定律有
设N出磁场时的速度大小为,从M出磁场到N出磁场的过程中由动量定理有
根据电流的定义式及欧姆定律有
由法拉第电磁感应定律有
解得
联立解得
5.(25-26高三上·江西南昌·期末)如图甲所示,在某星球上竖直固定两个相距1m的光滑平行金属导轨MN、PQ,导轨足够长且电阻不计,两导轨上端连接电路,定值电阻,,为电阻箱,导轨所在区域存在垂直导轨平面向里的匀强磁场。质量为0.4kg、电阻为1Ω、长为1m的金属棒ab垂直于MN、PQ放置在导轨上,且始终与导轨接触良好,现调节电阻箱的阻值为12Ω,开关S打开,0时刻金属棒由静止释放,1s时闭合开关S,金属棒运动的v-t图像如图乙所示,t时刻图线的切线刚好水平,闭合开关S后,金属棒下滑距离为54m时速度恰好达到最大值。
(1)求此星球的重力加速度大小;
(2)求匀强磁场的磁感应强度大小;
(3)求图像中t的数值及t时间内整个电路产生的焦耳热。
【答案】(1)
(2)
(3)
【难度】0.65
【知识点】动量定理的内容、竖直平面内的导轨单杆模型、v-t图像反映的物理量
【详解】(1)设该星球表面的重力加速度为g,开关S打开,对金属棒受力分析及从图乙得,在内金属棒的加速度为
(2)金属棒匀速下滑时速度最大,此时棒所受的安培力为
感应电流为
从图乙可得,电路总电阻为
由平衡条件得
所以
代入数据解得
(3)闭合开关后,由动量定理可得
其中
由法拉第电磁感应定律及闭合电路欧姆定律可得,
联立可得
所以
金属棒由静止开始下滑到最大速度的过程,由动能定理得
可得,解得
重难·创新演练
设题创新:结合日常科技考查(T1); 新角度考查研究方法(T2);结合物理实验考查(T3);新角度考查研究方法(T4);
1.▶新情境◀(2026·四川雅安·二模)如图所示,倾角,长度的传送带与光滑水平轨道平滑连接,传送带以恒定速度顺时针转动;水平轨道上有多个宽(长度和高度足够大),磁感应强度的竖直方向匀强磁场,相邻区域磁场方向相反。正方体绝缘物体上表面四条棱上固定一个边长的单匝闭合线框,物体(含线框)质量,线框电阻。物体从传送带顶端静止释放,物体与传送带间动摩擦因数为,不计物体在轨道连接处的能量损失,物体在传送带上运动时可视为质点。已知,,重力加速度取。
(1)求物体从传送带顶端静止释放时加速度的大小;
(2)求物体刚进入磁场时线框受到安培力的大小;
(3)物体能离开磁场,求磁场的最大个数。
【答案】(1)
(2)0.6N
(3)60
【难度】0.56
【知识点】物块在倾斜传送带上运动分析、线框进出磁场产生的等效电路相关计算
【详解】(1)物体刚放上传送带,根据牛顿第二定律,有
代入数据得
(2)物体和皮带达到共速发生的位移为,由速度位移公式
解得
则物体继续在皮带上做匀加速直线运动,根据牛顿第二定律,有
解得
物体到达传送带底端的速度为,由速度位移公式
解得
物体在水平轨道上进入磁场之前做匀速直线运动,刚进入磁场时电流为
线框受到安培力
(3)线框从进入第一个磁场到从第个磁场离开的过程中,线框进入第一个磁场和离开最后一个磁场,只有一条边在切割磁感线,安培力冲量为
电流为
线框在两个磁场区域中时,有两条边在切割磁感线,安培力冲量为:
电流为
全过程由动量定理得
即
物体能离开磁场,则
代入数据解得
则要保证物体离开磁场,磁场最大个数为60。
2.▶新角度◀(26-27高三上·河南·阶段检测)如图所示,两平行光滑金属导轨固定在水平面上,间距为,电阻不计,导轨分为两段,中间用绝缘材料填充隔断。最左端接有恒流源,当形成闭合回路时,输出电流大小恒为,电流方向如图所示。以O点为坐标原点,沿导轨方向建立坐标轴,O点右侧磁感应强度方向竖直向上,O点左侧磁感应强度方向竖直向下,两磁场的磁感应强度大小仅随坐标变化,且满足式中为已知常量,绝缘隔断在处,长度可忽略不计,导轨右侧放置矩形金属线框,边位于处,线框两边与导轨接触良好,线框单位长度的电阻阻值为,总质量为。时,一根质量为、接入回路电阻为的导体棒以初速度(未知)从处向右运动;(未知)时,导体棒第一次到达处,且速度为0。整个运动过程中导体棒始终与导轨接触良好且垂直,不计空气阻力,忽略磁场的边界效应及电流对磁场的影响。
(1)证明导体棒做的是简谐运动;
(2)求初速度的大小;
(3)提示一:以圆心为原点建立直角坐标系,匀速圆周运动在两坐标轴上的分运动均为简谐运动,其向心加速度在两坐标轴上的分加速度也满足简谐运动方程;提示二:对于简谐运动,关于时间的导数为速度,关于时间的导数为加速度。根据其中一个提示求时间(需要写出周期的具体推导过程);
(4)若导体棒的初速度为,且运动过程中未与金属线框相碰,求导体棒与金属线框边的最小距离。
【答案】(1)根据题意,恒流源保证回路电流恒为,导体棒受到的安培力为
O点右侧磁感应强度方向竖直向上,以水平向右为正,可得在区间,,电流沿棒向上,根据左手定则可知安培力方向水平向左,位移方向水平向右,安培力方向与位移方向相反,即
O点左侧磁感应强度方向竖直向下,可得在区间,,电流沿棒向上,根据左手定则可知安培力方向水平向右,位移方向水平向左,安培力方向与位移方向相反,即
以初速度从处向右运动,时,导体棒第一次到达处,且速度为0,由对称性可知,导体棒向左运动最远至处。
令,则有,可见导体棒做简谐运动。
(2)
(3)
(4)
【难度】0.32
【知识点】图像法求变力做功、动能定理的初步应用、简谐运动的定义及特征、安培力的计算式及初步应用、线框进出磁场产生的等效电路相关计算、有电源存在的导轨单杆模型
【详解】(1)根据题意,恒流源保证回路电流恒为,导体棒受到的安培力为
O点右侧磁感应强度方向竖直向上,以水平向右为正,可得在区间,,电流沿棒向上,根据左手定则可知安培力方向水平向左,位移方向水平向右,安培力方向与位移方向相反,即;
O点左侧磁感应强度方向竖直向下,可得在区间,,电流沿棒向上,根据左手定则可知安培力方向水平向右,位移方向水平向左,安培力方向与位移方向相反,即。
以初速度从处向右运动,时,导体棒第一次到达处,且速度为0,由对称性可知,导体棒向左运动最远至处。
令,则有,可见导体棒做简谐运动。
(2)此过程,由图像与位移轴围成的面积表示做功,可得安培力做功
根据动能定理
解得初速度的大小
(3)提示一:如图所示,对于角速度为的匀速圆周运动
x方向的位置坐标与的关系为
向心加速度为
将加速度分解,x方向的加速度a与t的关系为
可得方向简谐运动的加速度与振动位移的关系为
结合,,可得振动周期
故而导体棒的速度第一次变为0所需时间
提示二:简谐运动位移与的关系为
则有
可得
即
结合,,可得振动周期
故而导体棒的速度第一次变为0所需时间
说明:还可以直接用简谐运动周期公式
得振动周期
故而导体棒的速度第一次变为0所需时间
(4)O点右侧磁感应强度方向竖直向上,可得在区间,
此过程,由图像与位移轴围成的面积表示做功,可得安培力做功
若初速度变为,导体棒运行到处,安培力做功
代入
解得
导体棒进入右段导轨,导体棒与金属线框合外力为零,系统动量守恒有
对于导体棒,由动量定理可知
其中,线框与导轨接触良好的两边,导轨电阻不计,线框、边被导轨短路,边与边并联,等效为,故闭合回路总电阻
可得,联立解得
3.▶新考法◀(2026·北京海淀·三模)如图所示,某兴趣小组设计了一新型水平弹射系统和回收系统。装置有两段水平轨道,相连处彼此绝缘。电磁弹射装置由间距为的水平金属导轨、可在导轨上滑行的导电动子、输出电压恒为的电源和开关组成,由此构成的回路总电阻为;动子的右侧装有一锁定的机械弹射装置,机械弹射装置由固定在动子内的弹簧和与之接触的金属滑杆、锁定在滑杆上的模型飞机(图中未画出)组成。已知右侧轨道足够远的两端连有阻值为的电阻;绝缘处左侧导轨间存在竖直向下、大小为的匀强磁场,绝缘处右侧轨道间存在竖直向上、大小为的匀强磁场;导电动子与轨道间的阻力恒为,金属滑杆滑上轨道时还受到与速度成正比的其它阻力作用,比例系数为。动子及其上的所有装备的总质量为,其中飞机质量为,滑杆的质量为,滑杆的电阻为。运动过程中,动子、滑杆始终与导轨保持良好接触,忽略导轨电阻、绝缘处的长度和空气阻力。求:
(1)接通开关,动子从静止开始运动,动子运动到绝缘处前已达到稳定状态。
①接通瞬间动子加速度的大小;
②动子在轨道上稳定滑行时的速度的大小。
(2)动子运动到绝缘处时解锁机械弹射装置,动子速度瞬间变为零,滑杆和飞机达到起飞速度,飞机与滑杆立即分离,之后金属滑杆滑上右侧轨道并回收,滑杆在轨道上滑行的距离。
【答案】(1)①;②
(2)
【难度】0.38
【知识点】牛顿第二定律求瞬时加速度问题、动量定理的内容、无外力作用下,水平导轨上的单杆模型、有外力作用下,水平导轨上的单杆模型、动量守恒定律的初步应用
【详解】(1)①接通S瞬间,无反电动势则,由牛顿第二定律得,
解得
②动子在轨道上稳定滑行时
根据平衡条件
解得
(2)机械弹射装置作用前后动子整体动量守恒,有,可得
滑杆滑上轨道安培力为,阻力为
滑杆滑上右侧轨道直至停止,对滑杆全过程应用动量定理
其中位移,代入得
滑杆在轨道上滑行的距离,联立可得
4.▶新角度◀(2026·四川·模拟预测)匝数为、面积为的圆形线圈,处在方向竖直向上、磁感应强度大小()随时间均匀变化的磁场中,与水平金属导轨相连,导轨、部分水平,导轨、部分与水平面的夹角,、部分是竖直圆弧绝缘轨道(对应圆心角大于),导轨间距为。连接点、处绝缘,、处平滑,、处与圆导轨相切。和两矩形区域内存在方向竖直向上、磁感应强度大小为的匀强磁场。导体棒静止放在处,相同的导体棒静止放置在与之间。、棒质量均为,两棒电阻均为,不计其他电阻,、棒运动过程中始终与导轨垂直且接触良好,导体棒、之间的碰撞为弹性碰撞,忽略一切摩擦,水平轨道与倾斜轨道平滑连接,重力加速度为。(,)
(1)求圆形线圈产生的感应电动势;
(2)闭合开关,导体棒开始向右运动,在到达前速度已达到最大,求导体棒的最大速度和该过程通过导体棒的电荷量;
(3)测得倾斜轨道长为,导体棒通过倾斜轨道的时间为。要使导体棒上滑过程不脱离圆弧轨道,求圆弧轨道半径的范围。
【答案】(1)
(2),
(3)或
【难度】0.43
【知识点】机械能守恒定律在曲线运动中的应用、弹性碰撞:动碰静、已知磁感应强度随时间的变化的关系式求电动势、有电源存在的导轨单杆模型、倾斜平面内的导轨单杆模型
【详解】(1)根据法拉第电磁感应定律,圆形线圈产生的感应电动势
代入数据解得
(2)线圈感应电动势恒定,当导体棒运动时切割磁感线产生反电动势,当的速度最大时,加速度为0,回路电流为0,此时感应电动势与的动生电动势大小相等,即
代入数据解得
对导体棒应用动量定理,安培力的冲量等于动量变化,满足
其中
联立解得,该过程通过导体棒的电荷量
(3)、质量相等,发生弹性碰撞后速度交换,因此碰撞后获得的初速度
棒在导轨、部分运动时,回路总电阻为两棒电阻之和
棒在倾斜轨道上运动时,受重力分力和安培力作用,设任意时刻棒的速度大小为,则由棒切割产生的电动势大小为
故安培力沿斜面方向的分量大小为,方向沿斜面向下。
对棒沿倾斜轨道方向应用动量定理得
整理得,棒到达、处的速度大小
代入数据解得
、部分是竖直圆弧绝缘轨道,要使导体棒上滑过程不脱离圆弧轨道,则需满足棒上滑高度不超过圆心等高处或能通过圆弧最高点。在第一种情况下,由机械能守恒定律可知
解得
在第二种情况下,由动能定理可知
其中为棒恰能通过圆弧轨道顶端的临界速度,满足
联立解得
综上,要使导体棒上滑过程不脱离圆弧轨道,则圆弧轨道半径需满足或
5.(25-26高三上·湖北黄冈·阶段检测)如图所示,平行金属导轨、和平行金属导轨、固定在有一定高度差的两水平台面上。导轨、左端接有电源,间距,其导轨空间存在竖直向上的匀强磁场,磁感应强度大小;平行导轨、的间距也为,其中与是圆心角为、半径的圆弧形导轨,与是水平长直导轨,及其右侧有方向竖直向上的匀强磁场,磁感应强度大小。导体棒的质量,接入电路中的电阻,放置在导轨、右侧边缘处;导体棒的质量,接入电路中的电阻,放置在水平导轨某处。闭合开关后,导体棒从水平抛出,恰能无碰撞地从处以速度滑入圆弧形平行导轨,且始终没有与导体棒相碰。取重力加速度大小,,,导体棒、始终与导轨垂直,除在空中外,均接触良好,不计一切摩擦及空气阻力。求(答案可保留根号):
(1)两水平平台的高度差;
(2)导体棒运动到圆弧导轨底端时的加速度大小;
(3)导体棒在上、下两个平台上通过的电荷量的比值。
【答案】(1)2m
(2)
(3)2:1
【难度】0.46
【知识点】双杆在等宽导轨上运动问题
【详解】(1)导体棒a从NN'水平抛出做平抛运动,到达PP'时速度方向沿圆弧切线方向,与水平方向夹角为53°。竖直分速度
根据平抛运动规律
解得
两平台的高度差
(2)导体棒a从P运动到Q的过程中,只有重力做功,机械能守恒。P点相对于Q点的高度
根据机械能守恒定律
代入数据解得
在Q点,导体棒a的向心加速度
此时导体棒a切割磁感线产生的感应电动势
回路电流
导体棒a受到的安培力
切向加速度
故总加速度大小
(3)在上平台,导体棒a从静止加速到平抛初速度
根据动量定理
即
解得
在下平台,导体棒a和b组成的系统动量守恒,设最终共速为,则
解得
对导体棒b应用动量定理
即
解得
故电荷量的比值
真题·实战演练
高频考点:动力学三大观点
1.(2026·全国卷·高考真题)光滑水平桌面(纸面)上,两平行虚线之间有方向垂直纸面向里的匀强磁场,一正方形导体线框MNPQ静置在桌面上,PQ边与磁场边缘重合,如图(a)所示。时刻,线框在拉力作用下由静止开始进入磁场,拉力方向平行于桌面且与虚线垂直,线框完全进入磁场后,继续运动一段时间,直至MN边离开磁场为止。拉力大小随线框速度大小变化的图线如图(b)中实线所示,线框加速度始终保持不变,PQ边始终与磁场边缘保持平行。线框质量为、电阻为,图(b)中与已知,求
(1)线框加速度大小及线框边长;
(2)磁感应强度大小及磁场区域的宽度;
(3)从PQ边进入磁场到边离开磁场的过程中,拉力的最大值及安培力冲量的大小。
【答案】(1),
(2),
(3),
【难度】0.15
【知识点】牛顿第二定律的初步应用、动量定理的内容、安培力的计算式及初步应用、线框进出磁场产生的等效电路相关计算
【详解】(1)设线框加速度大小为,由图(b)可知当线框速度大小为时线框完全进入磁场,整个线框在磁场中运动时所受安培力为零,合力即拉力,大小为。根据牛顿第二定律得
可得线框加速度大小
设线框边长为,根据运动学公式有
联立解得线框边长
(2)图(b)斜线部分对应的运动过程中,线框所受安培力不为零,设相应过程中线框速度的大小为时,感应电动势为,感应电流为,安培力大小为。设磁感应强度大小为,则产生的电动势为
由闭合电路欧姆定律
线框做匀加速运动,合外力大小为,拉力大小为,则
其中
联立相关各式得
由图(b)知,时,代入上式解得磁感应强度大小为
设PQ边到达磁场上边缘时线框速度大小为,由图(b)知,时,可得
联立可得
设磁场区域宽度为,则
联立相关各式得磁场区域的宽度为
(3)设MN边到达磁场上边缘时线框速度大小为,此时拉力最大,根据运动学公式得
其中
联立相关各式得
将时代入
其中
联立可得的最大值为
设整个过程安培力的冲量大小为,由于线框始终做匀加速直线运动,运动时间
则的冲量大小等于图(b)中实线下的面积除以,根据动量定理得
由上图得出面积
再联立相关各式得
2.(2026·湖南·高考真题)某小组制作了一储能器,其两端电压与其储存的电荷量间的函数关系近似为(为常量)。将该储能器接入如图所示电路,、、为固定的三个触点。两足够长的平行金属导轨固定于水平面上,电阻不计,间距为。导轨间有竖直向下的匀强磁场,磁感应强度为。质量为的导体棒垂直导轨放置,接入电路的阻值为。电源电动势为,内阻不计。定值电阻阻值为。时刻开关S与连接,直到导体棒做匀速运动,再于时刻切换开关与或连接。运动过程中导体棒与导轨始终垂直且接触良好,忽略摩擦。
(1)求时刻导体棒加速度的大小;
(2)若时刻开关与连接,储能器接入电路前电压为0,当储能器电压为时(此时电路中电流不为0),求导体棒速度的大小;
(3)若时刻开关与连接,求从时刻起到导体棒静止的过程中,导体棒上产生的焦耳热。
【答案】(1)
(2)
(3)
【难度】0.5
【知识点】有电源存在的导轨单杆模型
【详解】(1)时刻开关S与连接,流过导体棒的电流
导体棒所受的安培力
根据牛顿第二定律
联立可得
(2)当导体棒匀速运动时,导体棒产生的电动势等于电源电动势,设此时导体棒速度为,即
当储能器电压为时(此时电路中电流不为0),对导体棒根据动量定理有
又
可得
根据题意
联立可得
(3)从过程对导体棒,根据动量定理
又
可得
导体棒上产生的焦耳热
可得
从时刻到导体棒静止过程中,根据能量守恒定律可知电路中产生的焦耳热为
导体棒产生的焦耳热为
可得
从时刻起到导体棒静止的过程中,导体棒上产生的焦耳热
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专项23 电磁感应中的动力学和能量、动量问题(专项训练)
目 录
模拟·基础演练 1
题型01 电磁感应中动力学、能量和动量问题 1
重难·创新演练 10
真题·实战演练 13
模拟·基础演练
考查重点:电磁感应中动力学、能量和动量问题,该问题为动力学三大观点的综合,涉及的内容包括牛顿运动定律、动量定理、动量守恒定律、动能定理、机械能守恒定律、能量守恒定律等。
⏳题型01 电磁感应中动力学、能量和动量问题
1.(26-27高三上·云南昭通·阶段检测)某物理兴趣小组设计的电磁感应探究实验装置如图所示:轨道分为水平金属导轨段、倾角的倾斜金属导轨段、竖直圆弧绝缘段(圆心角大于143°)三部分,导轨间距。和两矩形区域内存在竖直向上、磁感应强度的匀强磁场,到的水平距离为。两相同的导体棒a、b质量均为、电阻均为,a以的水平速度从处向右运动,b静置在与之间,两棒始终与导轨垂直且接触良好,水平轨道与倾斜轨道平滑连接,金属导轨电阻不计,a、b间的碰撞为弹性碰撞,忽略一切摩擦,重力加速度为。(,)
(1)求导体棒a刚开始运动时的加速度大小;
(2)求导体棒a在水平导轨上运动过程中通过导体棒a的电荷量q及到达处的速度大小;
(3)测得倾斜轨道长为,导体棒b通过倾斜轨道的时间为。要使导体棒上滑过程不脱离圆弧轨道,求圆弧轨道半径R的范围。
2.(2026·云南怒江·一模)某物理兴趣小组设计了一个电磁弹射缓冲实验装置,如图所示,倾角均为、宽度的两平行光滑倾斜导轨CD、HG的顶端连接电动势、内阻的直流电源。DG以上区域存在垂直导轨平面向下、磁感应强度大小的匀强磁场。一质量、电阻的金属棒甲垂直导轨放置,金属棒甲的长度恰为L,金属棒甲与导轨始终接触良好。闭合开关S瞬间,将金属棒甲由静止释放,金属棒甲向下运动一段时间达到匀速后穿出磁场边界DG,经过绝缘圆弧轨道进入足够长的光滑水平导轨MN、QP。导轨电阻不计,取重力加速度大小。
(1)求金属棒甲释放后瞬间的加速度大小a;
(2)求金属棒甲在倾斜导轨上匀速运动时的速度大小v;
(3)金属棒甲经过绝缘圆弧后,到达光滑水平导轨上时的速度大小,MQ右侧存在竖直向下、磁感应强度大小也为B的匀强磁场,金属棒乙、丙通过轻质绝缘弹簧连接,静止在水平导轨上,金属棒乙恰好与磁场边界MQ重合,此时弹簧处于原长,三根金属棒甲、乙、丙完全相同,金属棒甲与乙在MQ处发生完全非弹性碰撞(时间极短),碰后粘为一体,经过一段时间后,乙、丙间距最小且该过程中金属棒丙产生的焦耳热,求该过程中弹簧的最大弹性势能。
3.(26-27高三上·四川成都·开学考试)如图所示,固定的两条平行金属导轨MNPQ和M′N′P′Q′左侧的曲面部分是半径为R=5m的四分之一光滑圆弧,水平光滑导轨部分存在方向竖直向上、磁感应强度大小为B=0.5T的匀强磁场,导轨间距为L=2m,右侧倾斜导轨与水平导轨平滑连接。倾斜导轨与水平面的夹角为θ=37°,倾斜导轨最上端连接有阻值为R=1Ω的定值电阻。现将质量为m=1kg、长度为L=2m、阻值为R=1Ω的金属棒从左侧圆弧最高点由静止释放,穿过磁场区域后沿倾斜导轨上升,上升的最大高度为h=0.75m。已知金属棒与倾斜导轨间的动摩擦因数为μ=0.5,忽略金属棒通过NN′、PP′时的能量损失,金属棒与导轨始终保持良好接触,不计导轨电阻,sin37°=0.6,cos37°=0.8,重力加速度g取10m/s²。求:
(1)金属棒第一次进入磁场时所受安培力大小;
(2)水平导轨的长度 d;
(3)金属棒最终停止的位置与PP′的距离及全过程金属棒上产生的焦耳热。
4.(22-23高三上·安徽·阶段检测)如图所示,两根光滑金属导轨平行放置,间距为L,左侧倾斜导轨与水平面所成的夹角为,且存在方向垂直倾斜导轨平面向上的匀强磁场(大小未知),右侧部分导轨水平,矩形区域abcd内存在方向竖直向上的匀强磁场(大小未知),金属棒M用锁扣固定在距ab为处.金属棒N从倾斜导轨的某一位置由静止释放,并在进入水平导轨前以速度大小v做匀速运动,最后刚好未与M发生碰撞.已知ab、cd的间距为x,两金属棒的质量均为m、在导轨间的电阻均为R,倾斜导轨和水平导轨平滑连接,两金属棒始终与导轨接触良好且运动过程中保持垂直,不计导轨的电阻,重力加速度为g。
(1)求的大小;
(2)求N在水平导轨运动过程中通过回路的电荷量;
(3)若在N到达ab附近前打开锁扣,M出磁场时的速度大小为,求N出磁场时的速度大小。(M、N未在磁场区域发生碰撞)
5.(25-26高三上·江西南昌·期末)如图甲所示,在某星球上竖直固定两个相距1m的光滑平行金属导轨MN、PQ,导轨足够长且电阻不计,两导轨上端连接电路,定值电阻,,为电阻箱,导轨所在区域存在垂直导轨平面向里的匀强磁场。质量为0.4kg、电阻为1Ω、长为1m的金属棒ab垂直于MN、PQ放置在导轨上,且始终与导轨接触良好,现调节电阻箱的阻值为12Ω,开关S打开,0时刻金属棒由静止释放,1s时闭合开关S,金属棒运动的v-t图像如图乙所示,t时刻图线的切线刚好水平,闭合开关S后,金属棒下滑距离为54m时速度恰好达到最大值。
(1)求此星球的重力加速度大小;
(2)求匀强磁场的磁感应强度大小;
(3)求图像中t的数值及t时间内整个电路产生的焦耳热。
重难·创新演练
设题创新:结合日常科技考查(T1); 新角度考查研究方法(T2);结合物理实验考查(T3);新角度考查研究方法(T4);
1.▶新情境◀(2026·四川雅安·二模)如图所示,倾角,长度的传送带与光滑水平轨道平滑连接,传送带以恒定速度顺时针转动;水平轨道上有多个宽(长度和高度足够大),磁感应强度的竖直方向匀强磁场,相邻区域磁场方向相反。正方体绝缘物体上表面四条棱上固定一个边长的单匝闭合线框,物体(含线框)质量,线框电阻。物体从传送带顶端静止释放,物体与传送带间动摩擦因数为,不计物体在轨道连接处的能量损失,物体在传送带上运动时可视为质点。已知,,重力加速度取。
(1)求物体从传送带顶端静止释放时加速度的大小;
(2)求物体刚进入磁场时线框受到安培力的大小;
(3)物体能离开磁场,求磁场的最大个数。
2.▶新角度◀(26-27高三上·河南·阶段检测)如图所示,两平行光滑金属导轨固定在水平面上,间距为,电阻不计,导轨分为两段,中间用绝缘材料填充隔断。最左端接有恒流源,当形成闭合回路时,输出电流大小恒为,电流方向如图所示。以O点为坐标原点,沿导轨方向建立坐标轴,O点右侧磁感应强度方向竖直向上,O点左侧磁感应强度方向竖直向下,两磁场的磁感应强度大小仅随坐标变化,且满足式中为已知常量,绝缘隔断在处,长度可忽略不计,导轨右侧放置矩形金属线框,边位于处,线框两边与导轨接触良好,线框单位长度的电阻阻值为,总质量为。时,一根质量为、接入回路电阻为的导体棒以初速度(未知)从处向右运动;(未知)时,导体棒第一次到达处,且速度为0。整个运动过程中导体棒始终与导轨接触良好且垂直,不计空气阻力,忽略磁场的边界效应及电流对磁场的影响。
(1)证明导体棒做的是简谐运动;
(2)求初速度的大小;
(3)提示一:以圆心为原点建立直角坐标系,匀速圆周运动在两坐标轴上的分运动均为简谐运动,其向心加速度在两坐标轴上的分加速度也满足简谐运动方程;提示二:对于简谐运动,关于时间的导数为速度,关于时间的导数为加速度。根据其中一个提示求时间(需要写出周期的具体推导过程);
(4)若导体棒的初速度为,且运动过程中未与金属线框相碰,求导体棒与金属线框边的最小距离。
3.▶新考法◀(2026·北京海淀·三模)如图所示,某兴趣小组设计了一新型水平弹射系统和回收系统。装置有两段水平轨道,相连处彼此绝缘。电磁弹射装置由间距为的水平金属导轨、可在导轨上滑行的导电动子、输出电压恒为的电源和开关组成,由此构成的回路总电阻为;动子的右侧装有一锁定的机械弹射装置,机械弹射装置由固定在动子内的弹簧和与之接触的金属滑杆、锁定在滑杆上的模型飞机(图中未画出)组成。已知右侧轨道足够远的两端连有阻值为的电阻;绝缘处左侧导轨间存在竖直向下、大小为的匀强磁场,绝缘处右侧轨道间存在竖直向上、大小为的匀强磁场;导电动子与轨道间的阻力恒为,金属滑杆滑上轨道时还受到与速度成正比的其它阻力作用,比例系数为。动子及其上的所有装备的总质量为,其中飞机质量为,滑杆的质量为,滑杆的电阻为。运动过程中,动子、滑杆始终与导轨保持良好接触,忽略导轨电阻、绝缘处的长度和空气阻力。求:
(1)接通开关,动子从静止开始运动,动子运动到绝缘处前已达到稳定状态。
①接通瞬间动子加速度的大小;
②动子在轨道上稳定滑行时的速度的大小。
(2)动子运动到绝缘处时解锁机械弹射装置,动子速度瞬间变为零,滑杆和飞机达到起飞速度,飞机与滑杆立即分离,之后金属滑杆滑上右侧轨道并回收,滑杆在轨道上滑行的距离。
4.▶新角度◀(2026·四川·模拟预测)匝数为、面积为的圆形线圈,处在方向竖直向上、磁感应强度大小()随时间均匀变化的磁场中,与水平金属导轨相连,导轨、部分水平,导轨、部分与水平面的夹角,、部分是竖直圆弧绝缘轨道(对应圆心角大于),导轨间距为。连接点、处绝缘,、处平滑,、处与圆导轨相切。和两矩形区域内存在方向竖直向上、磁感应强度大小为的匀强磁场。导体棒静止放在处,相同的导体棒静止放置在与之间。、棒质量均为,两棒电阻均为,不计其他电阻,、棒运动过程中始终与导轨垂直且接触良好,导体棒、之间的碰撞为弹性碰撞,忽略一切摩擦,水平轨道与倾斜轨道平滑连接,重力加速度为。(,)
(1)求圆形线圈产生的感应电动势;
(2)闭合开关,导体棒开始向右运动,在到达前速度已达到最大,求导体棒的最大速度和该过程通过导体棒的电荷量;
(3)测得倾斜轨道长为,导体棒通过倾斜轨道的时间为。要使导体棒上滑过程不脱离圆弧轨道,求圆弧轨道半径的范围。
5.(25-26高三上·湖北黄冈·阶段检测)如图所示,平行金属导轨、和平行金属导轨、固定在有一定高度差的两水平台面上。导轨、左端接有电源,间距,其导轨空间存在竖直向上的匀强磁场,磁感应强度大小;平行导轨、的间距也为,其中与是圆心角为、半径的圆弧形导轨,与是水平长直导轨,及其右侧有方向竖直向上的匀强磁场,磁感应强度大小。导体棒的质量,接入电路中的电阻,放置在导轨、右侧边缘处;导体棒的质量,接入电路中的电阻,放置在水平导轨某处。闭合开关后,导体棒从水平抛出,恰能无碰撞地从处以速度滑入圆弧形平行导轨,且始终没有与导体棒相碰。取重力加速度大小,,,导体棒、始终与导轨垂直,除在空中外,均接触良好,不计一切摩擦及空气阻力。求(答案可保留根号):
(1)两水平平台的高度差;
(2)导体棒运动到圆弧导轨底端时的加速度大小;
(3)导体棒在上、下两个平台上通过的电荷量的比值。
真题·实战演练
高频考点:动力学三大观点
1.(2026·全国卷·高考真题)光滑水平桌面(纸面)上,两平行虚线之间有方向垂直纸面向里的匀强磁场,一正方形导体线框MNPQ静置在桌面上,PQ边与磁场边缘重合,如图(a)所示。时刻,线框在拉力作用下由静止开始进入磁场,拉力方向平行于桌面且与虚线垂直,线框完全进入磁场后,继续运动一段时间,直至MN边离开磁场为止。拉力大小随线框速度大小变化的图线如图(b)中实线所示,线框加速度始终保持不变,PQ边始终与磁场边缘保持平行。线框质量为、电阻为,图(b)中与已知,求
(1)线框加速度大小及线框边长;
(2)磁感应强度大小及磁场区域的宽度;
(3)从PQ边进入磁场到边离开磁场的过程中,拉力的最大值及安培力冲量的大小。
2.(2026·湖南·高考真题)某小组制作了一储能器,其两端电压与其储存的电荷量间的函数关系近似为(为常量)。将该储能器接入如图所示电路,、、为固定的三个触点。两足够长的平行金属导轨固定于水平面上,电阻不计,间距为。导轨间有竖直向下的匀强磁场,磁感应强度为。质量为的导体棒垂直导轨放置,接入电路的阻值为。电源电动势为,内阻不计。定值电阻阻值为。时刻开关S与连接,直到导体棒做匀速运动,再于时刻切换开关与或连接。运动过程中导体棒与导轨始终垂直且接触良好,忽略摩擦。
(1)求时刻导体棒加速度的大小;
(2)若时刻开关与连接,储能器接入电路前电压为0,当储能器电压为时(此时电路中电流不为0),求导体棒速度的大小;
(3)若时刻开关与连接,求从时刻起到导体棒静止的过程中,导体棒上产生的焦耳热。
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