2013年高考物理二轮复习精品学案专题二十：电磁感应图象问题

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2013高考二轮复习专题精品学案
高考二轮专题复习精品学案专题二十
电磁感应图象问题
【重点知识解读】
1.电磁感应中经常涉及磁感应强度、磁通量、感应电动势、感应电流等随时间（或位移）变化的图像，解答的基本方法是：根据题述的电磁感应物理过程或磁通量（磁感应强度）的变化情况，运用法拉第电磁感应定律和楞次定律（或右手定则）判断出感应电动势和感应电流随时间或位移的变化情况得出图像。
2.解答电磁感应图象问题要注意：磁感应强度随时间变化图象的斜率表示磁感应强度的变化率，磁通量随时间变化图象的斜率等于感应电动势，感应电动势、感应电流随时间变化的图像与横轴所围面积表示通过导体截面的电量。
【高考命题动态】
电磁感应图象问题是高考常考问题，高考对电磁感应图象的考查涉及各种形式，难度中等或较大。
【最新高考题分析】
典例1（2012·重庆理综）如题图21图所示，正方形区域MNPQ内有垂直纸面向里的匀强磁场，在外力作用下，一正方形闭合刚性导线框沿QN方向匀速运动，t=0时刻，其四个顶点M’、N’、P’、Q’恰好在磁场边界中点，下列图像中能反映线框所受安培力f的大小随时间t变化规律的是
【答案】：B
【解析】：由法拉第电磁感应定律闭合电路欧姆定律和安培力公式可知能反映线框所受安培力f的大小随时间t变化规律的是B
【考点定位】此题考查电磁感应及其相关知识。
针对训练题1.
10．（2013山东青岛二中测试）如图甲所示，垂直纸面向里的有界匀强磁场磁感应强度B=1.0 T，质量为m=0.04 kg、高h=0.05 m、总电阻R=5 Ω、n=100匝的矩形线圈竖直固定在质量为M=0.08kg的小车上，小车与线圈的水平长度l相同．当线圈和小车一起沿光滑水平面运动，并以初速度v1=10 m/s进入磁场，线圈平面和磁场方向始终垂直。若小车运动的速度v随车的位移x变化的v－x图象如图乙所示，则根据以上信息可知 （ ）
A．小车的水平长度l=15 cm
B．磁场的宽度d=35cm
C．小车的位移x=10 cm时线圈中的电流I=7 A
D．线圈通过磁场的过程中线圈产生的热量Q=1.92J
【答案】C
【解析】本题考查电磁感应综合，意在考查学生分析综合能力。从x=5 cm开始，线圈进入磁场，线圈中有感应电流，在安培力作用下小车做减速运动，速度v随位移x减小，当x=15 cm时，线圈完全进入磁场，小车做匀速运动．小车的水平长度l=10 cm.，A项错；当x=30 cm时，线圈开始离开磁场，则d=30cm－5cm=25cm.，B项错；当x=10 cm时，由图象知，线圈速度v2=7 m/s，感应电流I==7A，C项正确；线圈左边离开磁场时，小车的速度为v3=2 m/s.，线圈上产生的电热为Q= （M＋m）（）=5.76J，D项错。
典例2（2012·新课标理综）如图，一载流长直导线和一矩形导线框固定在同一平面内，线框在长直导线右侧，且其长边与长直导线平行。已知在t=0到t=t1的时间间隔内，直导线中电流i发生某种变化，而线框中感应电流总是沿顺时针方向；线框受到的安培力的合力先水平向左、后水平向右。设电流i正方向与图中箭头方向相同，则i随时间t变化的图线可能是
【答案】：A
【解析】：由楞次定律可判断出i随时间t变化的图线可能是A。
【考点定位】此题楞次定律、图象及其相关知识。
针对训练题2．（2013山东济南外国语学校测试）如图甲所示，一直角三角形金属框，向左匀速地穿过一个方向垂直于纸面向内的匀强磁场，磁场仅限于虚线边界所围的区域内，该区域的形状与金属框完全相同，且金属框的下边与磁场区域的下边在一直线上。若取顺时针方向为电流的正方向，则金属框穿过磁场过程的感应电流i随时间t变化的图像是下图所示的
【答案】C
【解析】（根据楞次定律可判断出金属框进磁场过程中和出磁场过程中的感应电流方向，根据切割的有效长度在变化，知感应电动势以及感应电流的大小也在变化．）根据楞次定律，在进磁场的过程中，感应电流的方向为逆时针方向，切割的有效长度线性增大，排除A、B；在出磁场的过程中，感应电流的方向为顺时针方向，切割的有效长度线性减小，排除D．故选项C正确。
典例3．（2012·福建理综）如图甲，一圆形闭合铜环由高处从静止开始下落，穿过一根竖直悬挂的条形磁铁，铜环的中心轴线与条形磁铁的中轴始终保持重合。若取磁铁中心O为坐标原点，建立竖直向下正方向的x轴，则图乙中最能正确反映环中感应电流i随环心位置坐标x变化的关系图像是
.【答案】：B
【解析】：一圆形闭合铜环由高处从静止开始下落，穿过一根竖直悬挂的条形磁铁，铜环的中心轴线与条形磁铁的中轴始终保持重合，圆环中磁通量变化不均匀，产生的感应电流不是线性变化。铜环下落到磁铁顶端的速度小于下落到磁铁底端的速度，铜环下落到磁铁顶端产生的感应电流小于下落到磁铁底端产生的感应电流，选项B正确。
针对训练题3.
针对训练题3（2013天星调研卷）. 如图甲所示，在圆形线框的区域内存在匀强磁场，磁场的方向垂直于纸面向里。若磁场的磁感应强度B按照图乙所示规律变化，则线框中的感应电流I（取逆时针方向的电流为正）随时间t的变化图线是
答案：A
【命题意图】 本题考查法拉第电磁感应定律、闭合电路欧姆定律、楞次定律、图象等知识，意在考查考生从图象获取信息、应用电磁感应相关知识分析问题的能力。
【解题思路】：圆形线框内，从t=0时刻起磁感应强度均匀增大，根据法拉第电磁感应定律和闭合电路欧姆定律，产生恒定的感应电动势和感应电流，增大到最大后磁感应强度均匀减小，产生方向相反的恒定的感应电动势和感应电流；由楞次定律可知，在前半段时间产生的感应电流方向为逆时针方向，为正值；后半段时间产生的感应电流方向为顺时针方向，为负值，所以感应电流I随时间t的变化图线是A。
典例4（2012·福建理综）如图甲，在圆柱形区域内存在一方向竖直向下、磁感应强度大小为B的匀强磁场，在此区域内，沿水平面固定一半径为r的圆环形光滑细玻璃管，环心0在区域中心。一质量为m、带电量为q（q>0）的小球，在管内沿逆时针方向（从上向下看）做圆周运动。已知磁感应强度大小B随时间t的变化关系如图乙所示，其中T0=。设小球在运动过程中电量保持不变，对原磁场的影响可忽略。
（1）在t=0到t=T0 这段时间内，小球不受细管侧壁的作用力，求小球的速度大小v0；
（2）在竖直向下的磁感应强度增大过程中，将产生涡旋电场，其电场线是在水平面内一系列沿逆时针方向的同心圆，同一条电场线上各点的场强大小相等。试求t=T0 到t=1.5T0 这段时间内：
①细管内涡旋电场的场强大小E；
②电场力对小球做的功W。
【解析】：（1）小球运动时不受细管侧壁的作用力，小球所受洛伦兹力提供向心力，qv0B0=m， ①
解得：v0=。②
(2) ①在T0到1.5 T0这段时间内，细管内一周的感应电动势，E感=πr2，③
由图乙可知，=2B0/T0。④
由于同一条电场线上各点的电场强度大小相等，所以，E感=2πr E。⑤
而T0=。
联立解得：细管内涡旋电场的场强大小E=。⑥
②在T0到1.5 T0这段时间内，小球沿切线方向的加速度大小恒为：
a=qE/m，⑦
小球运动的末速度大小：v= v0+a△t， ⑧
由图乙可知，△t =0.5T。
由②⑥⑦⑧联立解得：v= v0=。
由动能定理，电场力对小球做的功W=mv2-mv02。
由②⑨⑩联立解得：W= mv02=。
针对训练题4．（2013山东青岛二中测试）如图甲所示，两定滑轮可以绕垂直于纸面的光滑水平轴、O转动，滑轮上绕一细线，线的一端系一质量为M的重物，另一端系一质量为m的金属杆．在竖直平面内有两根间距为L的足够长的平行金属导轨PQ、MN，在Q、N之间连接有阻值为R的电阻，其余电阻不计．磁感应强度为B的匀强磁场与导轨平面垂直．开始时金属杆置于导轨下端，将重物由静止释放，重物最终能匀速下降，运动过程中金属杆始终与导轨接触良好．
（1）求重物匀速下降的速度大小．
（2）对一定的磁感应强度B，取不同的质量M，测出相应的重物做匀速运动时的v值，得到实验图线如图乙所示，图中画出了磁感应强度分别为B1和B2时的两条实验图线。试根据实验结果计算比值．
【答案】（1）；（2）
【解析】（1）当重物匀速下降时，设速度为v
则 感应电动势
感应电流
金属杆受到的安培力
由平衡条件得
解得
（2）由（1）求得的结果，v-M图线的斜率
得
由图乙得 ，
所以，
【最新模拟题训练】。
1．（2013山东青岛二中测试）如图所示，两根光滑的平行金属导轨竖直放置在匀强磁场中，磁场和导轨平面垂直，金属杆ab与导轨接触良好可沿导轨滑动，开始时电键S断开，当ab杆由静止下滑一段时间后闭合S，则从S闭合开始计时，ab杆的速度v与时间t的关系图象可能正确的是 （ ）

【答案】ACD
【解析】若ab杆速度为v时，S闭合，则ab杆中产生的感应电动势E=BLv，ab杆受到的安培力，如果安培力等于ab杆的重力，则ab杆匀速运动，A项正确；如果安培力小于ab杆的重力，则ab杆先加速最后匀速，C项正确；如果安培力大于ab杆的重力，则ab杆先减速最后匀速，D项正确；ab杆不可能匀加速运动，B项错。
2．（2013唐山一中检测）粗细均匀的电阻丝围成图所示的线框，置于正方形有界匀强磁场中，磁感强度为B，方向垂直于线框平面，图中ab=bc=2cd=2de=2ef=2fa=2L。现使线框以同样大小的速度v匀速沿四个不同方向平动进入磁场，并且速度方向始终与线框先进入磁场的那条边垂直，则在通过如图所示位置时，下列说法中正确的是
A．ab两点间的电势差图①中最大
B．ab两点间的电势差图②中最大
C．回路电流图③中最大
D．回路电流图④中最小
答案：A解析：设ab段电阻为r，图①中ab两点间的电势差U=3Ir，图②中ab两点间的电势差U=Ir，图③中ab两点间的电势差U=Ir/2，图④中ab两点间的电势差U=Ir，
所以ab两点间的电势差图①中最大，选项A正确B错误。回路电流图③中最小，其它回路电流相等，选项CD错误。
3（2011江苏物理第5题）如图所示，水平面内有一平行金属导轨，导轨光滑且电阻不计。匀强磁场与导轨平面垂直。阻值为R的导体棒垂直于导轨静止放置，且与导轨接触。t=0时，将开关S由1掷到2。Q、i、v和a分别表示电容器所带的电荷量、棒中的电流、棒的速度和加速度。下列图象正确的是
【解析】：t=0时，将开关S由1掷到2，电容器通过导轨、导体棒构成的回路放电，导体棒中有电流通过，导体棒受到安培力作用，导体棒产生加速度，导体棒做加速运动；导体棒速度逐渐增大，导体棒切割磁感线产生与放电电流方向相反的感应电动势。由于放电电流逐渐减小，导体棒的加速度逐渐减小，导体棒做加速度逐渐减小的加速运动。当导体棒切割磁感线产生的感应电动势与电容器两极板之间电压相等时，电容器放电电流减小到零，导体棒做匀速运动。选项BC错误；综合上述可知，足够长时间后，电容器所带的电荷量不为零，选项A错误D正确。
【答案】.D
【点评】此题电容器放电时引起的电磁感应相关图象。
4. （2013安徽皖南八校联考）如图所示，虚线右侧存在匀强磁场，磁场方向垂直纸面向外，正方形金属框电阻为R，边长是L，自线框从左边界进入磁场时开始计时，在外力作用下由静止开始，以垂直于磁场边界的恒定加速度a进人磁场区域，t1时刻线框全部进入磁场．规定顺时针方向为感应电流I的正方向．外力大小为F,，线框中电功率的瞬时值为P，通过导体横截面的电荷量为q，其中P－t图像为抛物线．则这些量随时间变化的关系正确的是
答案：C解析：线框速度v=at，产生的感应电动势随时间均匀增大，感应电流均匀增大，安培力随时间均匀增大，外力F随时间变化关系是一次函数，但不是成正比，功率P=EI随时间变化关系是二次函数，其图像是抛物线，所以C正确AB错误。导体横截面的电荷量q=It随时间变化关系是二次函数，其图像是抛物线，选项D错误。
5、（2013江苏常州模拟）如图所示，两平行的虚线间的区域内存在着有界匀强磁场，有一较小的三角形线框abc的ab边与磁场边界平行，现使此线框向右匀速穿过磁场区域，运动过程中始终保持速度方向与ab边垂直．则下列各图中哪一个可以定性地表示线框在进入磁场的过程中感应电流随时间变化的规律：( )
答案：D
解析：根据法拉第电磁感应定律和楞次定律，可以定性地表示线框在进入磁场的过程中感应电流随时间变化的规律是图D。
6. （2013浙江测试）“超导量子干涉仪”可用于探测心磁（10-10T）和脑磁（10-13T）等微弱磁场，其灵敏度可达10-14T，其探测“回路”示意图如图甲。穿过ABCD “回路”的磁通量为Φ，总电流强度I=i1+i2。I与的关系如图乙所示（Φ0=2.07×10-15 Wb），下列说法正确的是
A. 图乙中横坐标的单位是Wb
B. 穿过“回路”的磁通量越大，电流I越大
C. 穿过“回路”的磁通量变化引发电流I周期性变化
D. 根据电流I的大小，可以确定穿过“回路”的磁通量大小
答案：C解析：图乙中横坐标是，无单位，选项A错误；穿过“回路”的磁通量变化引发电流I周期性变化，选项C正确B错误；根据电流I的大小，不可以确定穿过“回路”的磁通量大小，选项D错误。
7. （2012华约自主招生真题）．铁路上使用一种电磁装置向控制中心传输信号以确定火车的位置，能产生匀强磁场的磁铁被安装在火车首节车厢下面，如图所示（俯视图） 。当它经过安放在两铁轨间的线圈时，便会产生一个电信号， 通过和线圈相连的电压传感器被控制中心接收， 从而确定火车的位置。现一列火车以加速度 a驶来，则电压信号关于时间的图像为（ ）
答案：D解析：火车以加速度 a驶来，速度逐渐增大，根据法拉第电磁感应定律，线圈中产生的感应电动势逐渐增大，电压信号逐渐增大，产生电压信号的时间缩短，所以电压信号关于时间的图像为D。
8.（2013温州八校联考）如图所示的四个选项中，虚线上方空间都存在方向垂直纸面向里的匀强磁场。A、B中的导线框为正方形，C、D中的导线框为直角扇形。各导线框均绕垂直纸面轴O在纸面内匀速转动，转动方向如箭头所示，转动周期均为T。从线框处于图示位置时开始计时，以在OP边上从P点指向O点的方向为感应电流的正方向。则在如图所示的四个情景中，产生的感应电流随时间的变化规律如图3所示的是（ ）
答案：C解析：根据感应电流在一段时间恒定，导线框应为扇形；由右手定则可判断出产生的感应电流随时间的变化规律如图3所示的是C。
9．（2013唐山摸底）如图甲所示，水平放置的平行金属导轨连接一个平行板电容器C和电阻R，导体棒MN放在导轨上且接触良好，整个装置放于垂直导轨平面的磁场中，磁感应强度B的变化情况如图乙所示（图示磁感应强度方向为正），MN始终保持静止，则0~t2时间
A．电容器C的电荷量大小始终没变
B．电容器C的a板先带正电后带负电
C．MN所受安培力的大小始终没变
D．MN所受安培力的方向先向右后向左
答案：AD解析：磁感应强度均匀变化，产生恒定电动势，电容器C的电荷量大小始终没变，选项A正确B错误；由于磁感应强度变化，MN所受安培力的大小变化，MN所受安培力的方向先向右后向左，选项C错误D正确。
10（2012浙南浙北联考）如图（a）所示，间距为l、电阻不计的光滑导轨固定在倾角为θ的斜面上。在区域I内有方向垂直于斜面的匀强磁场，磁感应强度为B；在区域Ⅱ内有垂直于斜面向下的匀强磁场，其磁感应强度Bt的大小随时间t变化的规律如图（b）所示。t =0时刻在轨道上端的金属细棒ab从如位置由静止开始沿导轨下滑，同时下端的另一金属细棒cd在位于区域I内的导轨上由静止释放。在ab棒运动到区域Ⅱ的下边界EF处之前，cd棒始终静止不动，两棒均与导轨接触良好。已知cd棒的质量为m、电阻为R，ab棒的质量、阻值均未知，区域Ⅱ沿斜面的长度为2l，在t=tx时刻（tx未知）ab棒恰进入区域Ⅱ，重力加速度为g。求：
（1）通过cd棒电流的方向和区域I内磁场的方向；
（2）当ab棒在区域Ⅱ内运动时cd棒消耗的电功率；
（3）ab棒开始下滑的位置离EF的距离；
（4）ab棒开始下滑至EF的过程中回路中产生的热量。
解析：（1）通过cd棒的电流方向 d→c。
区域I内磁场方向为垂直于斜面向上。
（2）对cd棒，F安=BIl=mgsinθ所以通过cd棒的电流大小I = （2分）
当ab棒在区域II内运动时cd棒消耗的电功率P=I2R=（2分）
（3）ab棒在到达区域II前做匀加速直线运动，a==gsinθ
cd棒始终静止不动，ab棒在到达区域II前、后，回路中产生的感应电动势不变，则ab棒在区域II中一定做匀速直线运动
可得；=Blvt =Blgsinθt x 所以t x=。
ab棒在区域II中做匀速直线运动的速度vt=，
则ab棒开始下滑的位置离EF的距离h= a t x2+2l=3 l。
（4） ab棒在区域II中运动的时间t2==，
ab棒从开始下滑至EF的总时间t= t x+t2=2 ，ε=Blvt =Bl。
ab棒从开始下滑至EF的过程中闭合回路中产生的热量：Q=εIt=4mglsinθ。
11．如图甲所示（俯视图），相距为2L的光滑平行金属导轨水平放置，导轨一部分处在以为右边界匀强磁场中，匀强磁场的磁感应强度大小为B，方向垂直导轨平面向下，导轨右侧接有定值电阻R，导轨电阻忽略不计。在距边界也为L处垂直导轨放置一质量为m、电阻不计的金属杆ab。求解以下问题：
（1）若ab杆固定在轨道上的初始位置，磁场的磁感应强度在时间t内由B均匀减小到零，求此过程中电阻R上产生的焦耳热为Q1。
（2）若磁场的磁感应强度不变，ab杆在恒力作用下由静止开始向右运动3L距离，其v--x的关系图像如图乙所示。求：
①ab杆在刚要离开磁场时的加速度大小；
②此过程中电阻R上产生的焦耳热Q2 。
【解析】：（1）磁场的磁感应强度在时间t内由B均匀减小到零，说明 此过程中的感应电动势为 ①
通过R的电流为 ②
此过程中电阻R上产生的焦耳热为 ③（1分）
联立求得 （1分）
（2）① ab杆离起始位置的位移从L到3L的过程巾．由动能定理可得
④（2分）
ab杆刚要离开磁场时，感应电动势： ⑤（1分）
通过R的电流为： ⑥（1分）
水平方向上受安培力F安和恒力F作用，安培力为： ⑦（1分）
联立⑤⑥⑦ ⑧（1分）
由牛顿第二定律可得： ⑨（1分）
联立④⑧⑨解得
② ab杆在磁场中由起始位置发生位移L的过程中，根据功能关系，恒力F做的功等于ab杆增加的动能与回路产牛的焦耳热之和．则 ⑩
联立④⑩解得
12（2007广东物理第18题）如图15（a）所示，一端封闭的两条平行光滑导轨相距L，距左端L处的中间一段被弯成半径为H的1/4圆弧，导轨左右两段处于高度相差H的水平面上。圆弧导轨所在区域无磁场，右段区域存在磁场B0，左段区域存在均匀分布但随时间线性变化的磁场B（t），如图15（b）所示，两磁场方向均竖直向上。在圆弧顶端，放置一质量为m的金属棒ab，与导轨左段形成闭合回路，从金属棒下滑开始计时，经过时间t0滑到圆弧顶端。设金属棒在回路中的电阻为R，导轨电阻不计，重力加速度为g。
（1）问金属棒在圆弧内滑动时，回路中感应电流的大小和方向是否发生改变？为什么？
（2）求0到时间t0内，回路中感应电流产生的焦耳热量。
（3）探讨在金属棒滑到圆弧底端进入匀强磁场B0的一瞬间，回路中感应电流的大小和方向。
解：（1）感应电流的大小和方向均不发生改变。因为金属棒滑到圆弧任意位置时，回路中磁通量的变化率相同。 ①
（2）0—t0时间内，设回路中感应电动势大小为E0，感应电流为I，感应电流产生的焦耳热为Q，由法拉第电磁感应定律：
②
根据闭合电路的欧姆定律： ③
由焦定律及②③有： ④
（3）设金属进入磁场B0一瞬间的速度变v，金属棒在圆弧区域下滑的过程中，机械能守恒：
⑤
在很短的时间内，根据法拉第电磁感应定律，金属棒进入磁场B0区域瞬间的感应电动势为E，则：

⑥
由闭合电路欧姆定律及⑤⑥，求得感应电流：
⑦
根据⑦讨论：
I.当时，I=0；
II.当时，，方向为；
III.当时，，方向为。
13. （2013辽宁沈阳二中检测）如图甲所示，相距为L的光滑平行金属导轨水平放置，导轨一部分处在以OO′为右边界匀强磁场中，匀强磁场的磁感应强度大小为B，方向垂直导轨平面向下，导轨右侧接有定值电阻R，导轨电阻忽略不计. 在距边界OO′也为L处垂直导轨放置一质量为m、电阻r的金属杆ab.
（1）若ab杆在恒力作用下由静止开始向右运动3L距离，其速度一位移的关系图象如图乙所示（图中所示量为已知量）. 求此过程中电阻R上产生的焦耳热QR及ab杆在刚要离开磁场时的加速度大小a.
（2）若ab杆固定在导轨上的初始位置，使匀强磁场保持大小不变，绕OO′轴匀速转动. 若从磁场方向由图示位置开始转过的过程中，电路中产生的焦耳热为Q2. 则磁场转动的角速度ω大小是多少？

解析：（1）ab杆离起起始位置的位移从L到3L的过程中，由动能定理可得
（2分）
ab杆在磁场中由起始位置发生位移L的过程，根据功能关系，恒力F做的功等于ab杆杆增加的动能与回路产生的焦耳热之和，则
（2分）
联立解得，（1分）
R上产生热量（1分）
ab杆刚要离开磁场时，水平方向上受安培力F总和恒力F作用，
安培力为：（2分）
由牛顿第二定律可得：（1分）
解得（1分）
（2）磁场旋转时，可等效为矩形闭合电路在匀强磁场中反方向匀速转动，所以闭合电路中产生正弦式电流，
感应电动势的峰值（2分）
有效值 （1分）
（1分）
而 （1分）
（1分）