高考物理答题技巧模型20、导体棒切割模型 （原卷版）Word（9页）

模型20、导体棒切割模型 【模型概述】 一、电磁感应中点动力学问题分析 1. 导体的平衡态一静止状态或匀速直线运动状态. 处理方法:根据平衡条件(合外力等于零)列式分析. 2. 导体的非平衡态-加速度不为零. 处理方法:根据牛顿第二定律进行动态分析或结合功能关系分析. 二、电磁感应中能量问题分析 1. 过程分析 (1)电磁感应现象中产生感应电流的过程，实质上是能量的转化过程. (2)电磁感应过程中产生的感应电流在磁场中必定受到安培力的作用，因此，要维持感应电流的存在，必 须有“外力”克服安培力做功,将其他形式的能转化为电能.“外力”克服安培力做了多少功，就有多少其他 形式的能转化为电能. (3)当感应电流通过用电器时，电能又转化为其他形式的能，安培力做功的过程，或通过电阻发热的过程， 是电能转化为其他形式能的过程.安培力做了多少功，就有多少电能转化为其他形式的能. 三、“导轨+杆”模型 对杆在导轨上运动组成的系统，杆在运动中切割磁感线产生感应电动势，并受到安培力的作用改变运动状 态最终达到稳定的运动状态，该系统称为“导轨+杆”模型. 【模型解题】 一、电磁感应与动力学问题的解题策略 此类问题中力现象和电磁现象相互联系、相互制约,解决问题前首先要建立“动一电一动”的思维顺序，可 概括为: (1)找准主动运动者，用法拉第电磁感应定律和楞次定律求解感应电动势的大小和方向.(2)根据等效电路图， 求解回路中感应电流的大小及方向. (3)分析安培力对导体棒运动速度、加速度的影响，从而推理得出对电路中的感应电流有什么影响，最后 定性分析导体棒的最终运动情况.. (4)列牛顿第二定律或平衡方程求解. 二、电磁感应中能量问题求解思路 (1)若回路中电流恒定，可以利用电路结构及W=UIt 或Q=PRt 直接进行计算. (2)若电流变化，则:①利用安培力做的功求解:电磁感应中产生的电能等于克服安培力所做的功;②利用能 量守恒求解:若只有电能与机械能的转化，则机械能的减少量等于产生的电能. 三、“导轨+杆”模型分析 根据杆的数目，对于“导轨+杆”模型题目，又常分为单杆模型和双杆模型. (1)单杆模型是电磁感应中常见的物理模型，此类问题所给的物理情景一般是 导体棒垂直切割磁感线，在 安培力、重力、拉力作用下的变加速直线运动或匀速直线运动，所涉及的知识有牛顿运动定律、功能关系、 能量守恒定律等.此类问题的分析要抓住三点:①杆的稳定状态一般是匀速运动(达到最大速度或最小速度， 此时合力为零).②整个电路产生的电能等于克服安培力所做的功.③电磁感应现象遵从能量守恒定律. (2)双杆类问题可分为两种情况:一是“假双杆”，甲杆静止不动，乙杆运动.其实质是单杆问题，不过要注 意问题包含着一个条件:甲杆静止、受力平衡.另-种情况是两杆都在运动,对于这种情况，要注意两杆切割磁 感线产生的感应电动势是相加还是相减.线框进入磁场和离开磁场的过程和单杆的运动情况相同,在磁场中 运动的过程与双杆的运动情况相同. 【模型训练】 【例1】如图所示，在磁感应强度为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场中，金属杆MN 在平行金属导轨ab 和cd 上，以速度v 向右滑动，MN 中产生的感应电动势为E1；若金属杆速度改为2v，其他条件不变，MN 中产生的感应电动势变为E2。则关于通过电阻R 的电流方向及E1 E2的判断，下列说法正确的是（ ） A．c→a，2 1 B．a→c，2 1 C．a→c，1 2 D．c→a，1 2 变式1.1 如图所示，在光滑水平金属框架上有一导体棒ab。第一次以速度v 匀速向右平动，第二次以速度 匀速向右平动，两次移动的距离相同，则两种情况下回路中产生的感应电动势和通过R 的电荷量之比分 别为（ ） A． ； B． ； C． ； D． ； 变式1.2 如图所示，平行光滑金属导轨水平放置，导轨间距为，左端连接一阻值为 的电阻。导轨所在 空间存在竖直向下的匀强磁场，磁感应强度为 。导体棒 置于导轨上，其电阻为，长度恰好等于导轨 间距，与导轨接触良好。不计导轨的电阻、导体棒与导轨间的摩擦。在大小为 的水平拉力作用下，导体 棒沿导轨向右匀速运动，速度大小为。在导体棒向右匀速移动的过程中（ ） A．导体棒中感应电流的方向为 B．导体棒两端的电势差大小为 C．电阻 消耗的电能为 D．拉力对导体棒做功的功率为 【例2】如图所示，在磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场中，长为L 的金属杆MN 在平 行金属导轨上以速度v 向右匀速滑动。金属导轨电阻不计，金属杆与导轨的夹角为θ，电阻为2R，ab 间电 阻为R，M、N 两点间电势差为U，则M、N 两点电势的高低及U 的大小分别为（ ） A．M 点电势高，U= B．M 点电势高，U= C．N 点电势高，U= D．N 点电势高，U= 变式2.1 如图所示， 为水平放置的平行光滑金属导轨，间距为，导轨间有垂直于导轨平面的匀强磁 场，磁感应强度大小为 ，导轨电阻不计。已知金属杆 倾斜放置，与导轨成角，单位长度的电阻为， 保持金属杆以速度沿平行于 的方向滑动（金属杆滑动过程中与导轨接触良好）。则（ ） A．电路中感应电流的大小为 B．金属杆的热功率为 C．电路中感应电动势的大小为 D．金属杆所受安培力的大小为 变式2.2 如图所示， 、 为两条平行的水平放置的金属导轨，左端接有定值电阻R，金属棒 斜放 在两导轨之间，与导轨接触良好， 。磁感应强度为B 的匀强磁场垂直于导轨平面，设金属棒与两导 轨间夹角为 ，以速度v 水平向右匀速运动，不计导轨和金属棒的电阻，则流过金属棒中的电流为（ ） A． B． C． D． 【例3】如图所示，在竖直向下的磁感应强度为B 的匀强磁场中，两根足够长的平行光滑金属轨道 MN、 PQ 固定在水平面内，相距为L。一质量为m 的导体棒 ab 垂直于 MN、PQ 放在轨道上，与轨道接触良好。 轨道左端MP 间接一电动势为E、内阻为r 的电源，并联电阻的阻值为 R。不计轨道和导体棒的电阻，闭合 开关S 后导体棒从静止开始，经t 秒以v 匀速率运动， 则下列判断正确的是（ ） A．速率 B．从 秒电源消耗的电能 C．t 秒后通过电阻R 的电流为零 D．t 秒末导体棒 ab 两端的电压为E 变式3.1 如图甲所示，两根足够长的光滑金属导轨ab、cd 与水平面成θ=30°固定，导轨间距离为l＝1m， 电阻不计，一个阻值为R0的定值电阻与可变电阻并联接在两金属导轨的上端，整个系统置于匀强磁场中， 磁感应强度方向与导轨所在平面垂直，磁感应强度大小为B＝1T。 现将一质量为m、不计电阻的金属棒 MN 从图示位置由静止开始释放，金属棒下滑过程中与导轨接触良好，且始终与导轨保持垂直，改变可变 电阻的阻值R，测定金属棒的最大速度vm，得到 的关系如图乙所示，g 取10m／s2。 则下列说法正 确的是（ ） A．金属棒的质量m＝1kg B．金属棒的质量m＝2kg C．定值电阻R0＝2Ω D．定值电阻R0＝4Ω 变式3.2 如图，金属棒 垂直放在两水平放置的光滑金属导轨上，导轨间距为 ，导轨左端接有电阻 和电容器 ，空间有竖直向下的匀强磁场 ，使金属棒 以速度向右匀速运动，稳定时（ ） A．导体棒 点比 点电势低 B．电容器上极板带正电 C．电阻 上有顺时针方向的电流 D．电路中没有电流产生 【例4】如图所示，导体棒在金属框架上向右做匀加速运动，在此过程中（ ） A．电容器上电荷量越来越多 B．电容器上电荷量越来越少 C．电容器上电荷量保持不变 D．电阻R 上电流越来越大 变式4.1 如图所示，足够长的光滑平行金属导轨倾斜固定，导轨宽度，倾角为 ，上端连接一电容器 ， 垂直导轨平面向上的匀强磁场穿过导轨所在平面．现让一根质量为 的导体棒从静止开始滑下，已知导体 棒的质量 ，所有电阻均不计，重力加速度大小为 ，当导体棒下滑的距离为时，下列说法正确 的是（ ） A．导体棒做变加速运动 B．导体棒做匀加速运动，加速度大小为 C．导体棒的速度大小为 D．电容器所带的电荷量为 变式4.2 如图所示，竖直放置的两根足够长的平行金属导轨相距L，导轨电阻不计，导轨间接有一定值电 阻R，质量为m、电阻为r 的金属棒与两导轨始终保持垂直并良好接触，且无摩擦，整个装置放在匀强磁 场中，磁场方向与导轨平面垂直，重力加速度为g，现将金属棒由静止释放，金属棒下落高度为h 时开始 做匀速运动，在此过程中（ ） A．金属棒的最大速度为 B．通过电阻R 的电荷量为 C．金属棒克服安培力做的功等于电阻R 上产生的热量 D．安培力对金属棒做的功等于金属棒动能的增加量 【例5】如图，在匀强磁场中竖直、平行地放置一对光滑的金属导轨 MN 和 PQ。另有一对相距一定距离 的金属杆ab 和cd，同时从某一高度由静止开始释放它们，若两杆与 MN 和PQ 接触良好，那么（ ） A．ab 先加速运动后匀速运动 B．cd 做自由落体运动 C．感应电流方向为 abdca D．cd 两端电势差为零 变式5.1 如图所示，水平面上固定着两根相距L 且电阻不计的足够长的光滑金属导轨，导轨处于方向竖直 向下、磁感应强度为B 的匀强磁场中。相同的铜棒a、b 平行地静止在导轨上且与导轨接触良好，每根铜棒 的长度等于两导轨的间距、电阻为R、质量为m。现给铜棒a 一个平行于导轨向右的瞬时冲量I，关于此后 的过程，下列说法正确的是（ ） A．铜棒b 获得的最大速度为 B．铜棒b 的最大加速度为 C．铜棒b 中的最大电流为 D．铜棒b 中产生的最大焦耳热为 变式5.2 如图所示，一水平面内固定两根足够长的光滑平行金属导轨，导轨上面横放着两根完全相同的铜 棒ab 和cd，构成矩形回路，在整个导轨平面内都有竖直向上的匀强磁场B。开始时，棒cd 静止，棒ab 有 一个向左的初速度 。从开始到最终稳定的全过程中，下列说法正确的是（ ） A．ab 棒做匀减速直线运动，cd 棒做匀加速直线运动，最终都做匀速运动 B．ab 棒减小的动量等于cd 棒增加的动量 C．ab 棒减小的动能等于cd 棒增加的动能 D．安培力对ab 棒和cd 棒分别做负功和正功，做功总和为零 【例6】如图所示，两足够长的光滑平行导轨固定在同一水平面上，虚线 MN 与导轨垂直，其左、右侧的 导轨间距分别为L2和L1且 整个装置处在竖直向下的匀强磁场中。MN 左、右两侧的磁感应强度大小 分别为B2和B1，且 在 MN 两侧导轨上分别垂直放置两根接入阻值为r1和r2的平行金属棒 ab 和cd， 系统静止。某时刻对 ab 棒施加一个水平向右的恒力 F，两金属棒在向右运动的过程中，始终与导轨垂直 且接触良好， cd 棒始终未到达MN 处，则下列判断正确的是（ ） A．最终两棒以不同的速度匀速运动 B．最终两棒以相同的速度匀速运动 C．安培力对cd 棒所做的功大于 cd 棒的动能增加量 D．外力 F 做的功等于两棒的动能增加量和回路中产生的焦耳热 变式6.1 如图，电阻不计的光滑金属导轨由直窄轨AB、CD，直宽轨EF、GH 和连接直轨BE、GD 构成， 整个导轨处于同一水平面内， ，BE 和GD 共线且与AB 垂直，窄轨间距为 ，宽轨 间距为L。空间有方向竖直向上的匀强磁场，宽轨所在区域的磁感应强度大小为B，窄轨所在区域的磁感 应强度大小为2B。棒长均为L、质量均为m、电阻均为R 的均匀金属直棒a、b 始终与导轨垂直且接触良好。 初始时刻，b 棒静止在宽轨上，a 棒从窄轨上某位置以平行于AB 的初速度 向右运动。a 棒距窄轨右端足 够远，宽轨EF、GH 足够长。则（ ） A．a 棒刚开始运动时，b 棒的加速度大小为 B．经过足够长的时间后，a 棒的速度大小为 C．整个过程中，a 棒克服安培力做的功等于ab 两棒上的发热量 D．整个过程中，b 棒产生的焦耳热为 变式6.2 如图所示，间距分别为 和 的两组平行光滑导轨 、 和 、 用导线连接，它们处于磁感 应强度大小为 、方向垂直纸面向里的匀强磁场中，质量为 、单位长度阻值为 的两相同导体棒 和 垂直导轨分别置于导轨 、 和 、 上，现导体棒 以初速度 向右运动，不计导轨及导线电阻， 两导轨足够长且导体棒 始终在导轨 、 上运动，则下列说法正确的是（ ） A．当导体棒 刚开始运动时，导体棒 的加速度大小为 B．当导体棒 刚开始运动时，导体棒 的加速度大小为 C．当两导体棒速度达到稳定时，导体棒 的速度为 D．当两导体棒速度达到稳定时，导体棒 的速度为