2020年高考物理核心探秘線框在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題考點(diǎn)考題考向突破6

2020年高考物理核心探秘線框在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題考點(diǎn)考題考向突破專題十一、線框在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題問(wèn)題分析線框在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題是電磁感應(yīng)定律的具體應(yīng)用問(wèn)題，是歷年高考考查的重點(diǎn)和難點(diǎn)，具有很強(qiáng)的綜合性，線框進(jìn)出磁場(chǎng)過(guò)程可以分為三個(gè)階段:“進(jìn)磁場(chǎng)”階段、“在磁場(chǎng)中平動(dòng)”階段、“出磁場(chǎng)”階段.不同的階段，線框的運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同，分析問(wèn)題時(shí)需要區(qū)別對(duì)待，當(dāng)然，這里的線框可以是矩形的，可以是圓形的，也可以是扇形或三角形的，還可以是其他形狀的.線框在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，需要考慮兩方面：一方面是電磁學(xué)的有關(guān)規(guī)律，即法拉第電磁感應(yīng)定律、楞次定律、左手定則、右手定則、安培力的計(jì)算公式等；另一方面是電磁學(xué)與力學(xué)的綜合，線框在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)透視的解題思路如下：⑴分析線框的運(yùn)動(dòng)情況，判斷閉合回路中電磁感應(yīng)情況，根據(jù)相關(guān)規(guī)律求出電源電動(dòng)勢(shì)和電源內(nèi)阻；(2)分析電路結(jié)構(gòu)，求出電路的息電阻和相關(guān)的電阻，再求出電路中的電流和安培力；(3)分析線框中切割磁感線的邊的受力情況，求出合力；(4)結(jié)合電磁學(xué)與力學(xué)的相關(guān)規(guī)律，判斷出線框的具體運(yùn)動(dòng)規(guī)律；(5)根據(jù)能量守恒與轉(zhuǎn)化的關(guān)系，分析題目所要求的相關(guān)問(wèn)題.透視1考查線框在磁場(chǎng)中的擺動(dòng)問(wèn)題線框系在細(xì)線的一端，細(xì)線的另一端固定在某一點(diǎn)，線框由于某種原因在磁場(chǎng)中來(lái)回?cái)[動(dòng)，在擺動(dòng)的過(guò)程中，線框切割磁感線，線框中有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流產(chǎn)生.這類試題一般需要考生判斷感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小、感應(yīng)電流的大小和方向、安培力的大小和方向等.可以利用楞次定律和右手定則判斷感應(yīng)電流的方向，利用左手定則判斷安培力的方向，在運(yùn)用楞次定律時(shí)，一定要注意該定律中“阻礙，，的含義.【題1】如圖所示，在磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為5、方向豎直向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，有一質(zhì)量為加、阻值為尺的閉合矩形金屬線框用絕緣輕質(zhì)細(xì)桿懸掛在。點(diǎn)，并可繞。點(diǎn)擺動(dòng).金屬線框從右側(cè)某一位置靜止開始釋放，在擺動(dòng)到左側(cè)最高點(diǎn)的過(guò)程中，細(xì)桿和金屬線框平面始終處于同一平面，且垂直紙面.則線框中感應(yīng)電流的方向是（）A.Bd一c一b一a一dC.先是d一c一b一a一d，后是a一b一c一d一aD.先是a一b一c一d一a，后是d一c一b一a一d【解析】在閉合線框從右端擺動(dòng)到最低點(diǎn)這一過(guò)程中，穿過(guò)線框的磁感線逐漸減少，根據(jù)楞次定律可知，線框中產(chǎn)生感應(yīng)電流以阻礙原磁場(chǎng)的減少，故線框中感應(yīng)電流的方向?yàn)閐fcfbfafd；在閉合線框從最低點(diǎn)擺動(dòng)到茨左端這一過(guò)程中，穿過(guò)線框的磁感線逐漸增多，根據(jù)楞次定律可知，線框中產(chǎn)生感應(yīng)電流以阻礙原磁場(chǎng)的增多，故線框中感應(yīng)電流的方向?yàn)閐fcfbfafd，由以上分析可知，線框中感應(yīng)電流的方向?yàn)閐fcfbfafd，B正確，A、C、D錯(cuò)誤.透視2考查線框在磁場(chǎng)中的旋轉(zhuǎn)問(wèn)題線框繞某一點(diǎn)在磁場(chǎng)中做圓周運(yùn)動(dòng)，即繞某點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，線框會(huì)切割磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電流，這與交流電的產(chǎn)生原理有點(diǎn)相似.這類問(wèn)題，可以與交變電流的相關(guān)知識(shí)結(jié)合，考查考生對(duì)知識(shí)的整合能力，【題2】如圖所示的區(qū)域內(nèi)有垂直于紙面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為5.電阻為心半徑為L(zhǎng)、圓心角為450的扇形閉合導(dǎo)線框繞垂直于紙面的0軸以角速度叫勻TOC\o"1-5"\h\z速轉(zhuǎn)動(dòng)（0軸位于磁場(chǎng)邊界）.則線框內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電流的有效值為 （ ）B.匹BL23C石BL23 D.BL232R 4R 4R【解析】易錯(cuò)：在求線框中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤，認(rèn)為最大值為E=.①，最后得出感應(yīng)電流的有效值為照，錯(cuò)選A;不會(huì)利用交變電流有效值m 2R的定義計(jì)算有效值，而是根據(jù)正弦交變電流的有效值與最大值的關(guān)系計(jì)算，從而得出感應(yīng)電流的有效值為亙生，錯(cuò)選C.4R正解：白于線框以角速度①勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大值為絲亞，故2線框中感應(yīng)電流的最大值為/二魯，以逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎较颍示€框內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電流按如圖所示規(guī)律變化.根據(jù)電流有效值的定義可知，/2RT=12R.T，聯(lián)立以上各式解得I二包吧，由以上分析可知，m4 4R正確答案為D.點(diǎn)評(píng)在求有效值問(wèn)題時(shí)，一定要判斷交變電流是不是按照正弦或者余弦規(guī)律變化的.如果不是，那么就不能利用最大值與有效值的關(guān)系來(lái)求有效值，不要亂套公式.透視3考查線框在磁場(chǎng)中的豎直下落問(wèn)題線框從某一高度自由下落，下落一段距離后進(jìn)入磁場(chǎng)，然后經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)從另一邊出磁場(chǎng)，在進(jìn)入磁場(chǎng)和出磁場(chǎng)這兩個(gè)階段，線框切割磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流.這類試題通常考查線框的速度、受到的安培力、產(chǎn)生的熱量等，需要用到牛頓運(yùn)動(dòng)定律、動(dòng)能定理、能量守恒定律、安培力的計(jì)算公式等.處理問(wèn)題時(shí)，應(yīng)當(dāng)分“進(jìn)磁場(chǎng)”、“在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)”、“出磁場(chǎng)”三個(gè)階段分析線框的運(yùn)動(dòng)情況.需要注意的是線框完全進(jìn)入磁場(chǎng)后，不產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，線框做自由落體運(yùn)動(dòng).【題3】如圖所示，水平地面上方矩形區(qū)域內(nèi)存在垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，兩邊長(zhǎng)相等的單匝閉合正方形線圈I和H,分別用相同材料，不同粗細(xì)的導(dǎo)線繞制（I為細(xì)導(dǎo)線）.兩線圈在距磁場(chǎng)上界面h高處由靜止開始自由下落，再進(jìn)入磁場(chǎng)，最后落到她面，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，線圈平面始終保持在豎直平面內(nèi)且下邊緣平行于磁場(chǎng)上邊界，設(shè)線圈I、H落地時(shí)的速度大小分別為y、「在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱量分別為°、。，不計(jì)空氣阻力，則（）A.y1<y2，Q1<Q2 B.y1=y2，Q1=Q2C.y<y，Q>Q D.y=y,Q<Q【解析】根據(jù)題意可知，兩線圈在距磁場(chǎng)上界面h高處由靜止開始自由下落，線圈到達(dá)磁場(chǎng)上邊界時(shí)具有相同的速度剮，進(jìn)入磁場(chǎng)后，兩線圈切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流，此時(shí)線圈受到磁場(chǎng)的安培力為F二BIl，又一型，故F一竺曳；又線圈R R的電阻尸…口一ix-'x*x-Vx；

.XXXXX：：xxXXX!；XXXXX；：XXxxxiR_p曳，其中p為材料的電阻率，/為線圈的邊長(zhǎng)，所以安培力為F_改至，此時(shí)S 4p加速度°一里土.”F,設(shè)p為該材料的密度，則m_ps,41，加速度a…4是a— —g p fm-p a-gm m 0 0 16pp0定值，故線圈i和n在進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)同步運(yùn)動(dòng)，當(dāng)兩線圈全部進(jìn)入磁場(chǎng)后，感應(yīng)電流為零，不再受到安培力的作用，只在重力的作用下豎直下落，加速度為，.因g此，線圈I和n落地時(shí)速度相等，即y「，由能量的轉(zhuǎn)化與能量守恒定律可知，vvQQ——mg(h+H)--mv2,其中h為磁場(chǎng)區(qū)域的高度，2由于線圈I為細(xì)導(dǎo)線，質(zhì)量m小，產(chǎn)生的熱量小，所以Q<Q，由以上分析可知，選項(xiàng)D正確.透視4考查線框在磁場(chǎng)中的水平移動(dòng)問(wèn)題線框在磁場(chǎng)中水平運(yùn)動(dòng)是高考中最常見(jiàn)的一類問(wèn)題，也是該透視中考得最多的一類.線框在磁場(chǎng)中水平移動(dòng)問(wèn)題通常與圖像相結(jié)合，綜合性比較強(qiáng)，難度較大，考查考生分析問(wèn)題、處理問(wèn)題的能力.這類問(wèn)題所涉及的圖像常見(jiàn)的有b-圖像、”,圖像、e-t圖像、/-t圖像和a-x圖像，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)E-x圖像和I-x圖像.解題思路為：根據(jù)電磁感應(yīng)現(xiàn)象分析感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，然后分析線框的安培力、合力、加速度和速度，最后再具體分析線框的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì).當(dāng)線框完全進(jìn)入磁場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，線框的安培力為零，加速度為零，速度不變.【題4】如圖所示，一有界區(qū)域內(nèi)，存在著磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為^，方向分別垂直于光滑水平桌面向下和向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)寬度均為「邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的正方形線框成〃的bc邊緊靠磁場(chǎng)邊緣置于桌面上，使線框從靜止開始沿,軸正方向勻加速通過(guò)磁場(chǎng)區(qū)域，若以逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)殡娏鞯恼较?，能反映線框中感應(yīng)電流變化規(guī)律的是圖匚 1【解析】根據(jù)題意可知，線框從靜止開始沿,軸正方向勻加速通過(guò)磁場(chǎng)區(qū)域，由感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)公式E-BLv與運(yùn)動(dòng)學(xué)公式v-at可得E一BLat，I一叫，故感應(yīng)電流,隨R時(shí)間t均勻變化，在0~t時(shí)間內(nèi)，感應(yīng)電流均勻增大；在t~t時(shí)間內(nèi)，根據(jù)右手定則可以判斷出線框的ad邊與bc邊產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向相同，為順時(shí)針?lè)较颍偢袘?yīng)電流為兩者大小相加，故線圈中的電流變大，方向與0~t時(shí)間內(nèi)電流方向相反；在12~13時(shí)間內(nèi)，線圈bc邊離開磁場(chǎng)，只有ad邊產(chǎn)生感應(yīng)電流，此時(shí)感應(yīng)電流的大小比t~t時(shí)間內(nèi)的電流小，方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?；?~t和t~t時(shí)2 1 2 3間內(nèi)，it圖像的斜率相同，故A正確，B錯(cuò)誤.由于線框做勻加速運(yùn)動(dòng)，其位移為,-1at2,則t-叵，I-B^.