高考物理计算题专题13 电磁感应中的电路和图像问题（解析版）-高考物理计算题专项突破

专题13电磁感应中的电路和图像问题①磁通量公式：；②磁通量的变化量：；磁通量的变化率：；③法拉第电磁感应定律公式：；（为线圈匝数）④感应电流与感应电动势的关系：；⑤与线框有关的公式：；；；⑥恒流电路：。在解电磁感应中的电路和图像问题时，首先确定电源：①一般情况下切割磁感线的导体或磁通量发生变化的回路相当于电源，②进一步判断等效电源的正负极或电势的高低。第二要对电路进行分析，根据等效电源和电路中其他元件的结构画出等效电路图。然后进行图像分析，对于动力学图像，分析物体的运动过程或者运动状态。最后利用电路规律（比如欧姆定律，串并联电路规律，焦耳定律等）列出关系式，进行求解。电磁感应现象中图像问题的分析，要抓住磁通量的变化，从而推知感应电动势（电流）大小变化的规律，用楞次定律判断出感应电动势（或电流）的方向，从而确定其正负，以及在坐标中的范围。分析回路中的感应电动势或感应电流的大小及其变化规律，要利用法拉第电磁感应定律来分析。有些问题还要画出等效电路来辅助分析。另外，要正确解决图像问题，必须能根据图像的定义把图像反映的规律对应到实际过程中去，又能根据实际过程的抽象规定对应到图像中去，最终根据实际过程的物理规律进行判断，这样，才抓住了解决图像问题的根本。解决这类问题的基本方法：（1）明确图像的种类，是图像还是图像，图像，或者图像。对于切割磁感线产生感应电动势和感应电流的情况，还常涉及感应电动势E和感应电流I随线圈位移x变化的图像，即E－x图像和I－x图像。（2）分析电磁感应的具体过程。（3）结合楞次定律、法拉第电磁感应定律、左手定则、右手定则、安培定则、欧姆定律、牛顿运动定律等规律判断方向、列出函数方程。（4）根据函数方程，进行数学分析，如斜率及其变化、两轴的截距等。（5）画图像或判断图像。典例1：（2021·浙江·高考真题）一种探测气体放电过程的装置如图甲所示，充满氖气（）的电离室中有两电极与长直导线连接，并通过两水平长导线与高压电源相连。在与长直导线垂直的平面内，以导线为对称轴安装一个用阻值的细导线绕制、匝数的圆环形螺线管，细导线的始末两端c、d与阻值的电阻连接。螺线管的横截面是半径的圆，其中心与长直导线的距离。气体被电离后在长直导线回路中产生顺时针方向的电流I，其图像如图乙所示。为便于计算，螺线管内各处的磁感应强度大小均可视为，其中。（1）求内通过长直导线横截面的电荷量Q；（2）求时，通过螺线管某一匝线圈的磁通量；（3）若规定为电流的正方向，在不考虑线圈自感的情况下，通过计算，画出通过电阻R的图像；（4）若规定为电流的正方向，考虑线圈自感，定性画出通过电阻R的图像。【答案】（1）；（2）；（3）见解析；（4）见解析【规范答题】（1）由电量和电流的关系可知图像下方的面积表示电荷量，因此有代入数据解得（2）由磁通量的定义可得代入数据可得（3）在时间内电流均匀增加，有楞次定律可知感应电流的方向，产生恒定的感应电动势由闭合回路欧姆定律可得代入数据解得在电流恒定，穿过圆形螺旋管的磁场恒定，因此感应电动势为零，感应电流为零，而在时间内电流随时间均匀变化，斜率大小和大小相同，因此电流大小相同，由楞次定律可知感应电流的方向为，则图像如图所示（4）考虑自感的情况下，线框会产生自感电动势阻碍电流的变化，因此开始时电流是缓慢增加的，过一段时间电路达到稳定后自感消失，电流的峰值和之前大小相同，在时间内电路中的磁通量不变化电流要减小为零，因此自感电动势会阻碍电流的减小，使得电流缓慢减小为零。同理，在内电流缓慢增加，过一段时间电路达到稳定后自感消失，在之后，电路中的磁通量不变化电流要减小为零，因此自感电动势会阻碍电流的减小，使得电流缓慢减小为零。图像如图典例2：（2022·重庆·高考真题）某同学以金属戒指为研究对象，探究金属物品在变化磁场中的热效应。如图所示，戒指可视为周长为L、横截面积为S、电阻率为的单匝圆形线圈，放置在匀强磁场中，磁感应强度方向垂直于戒指平面。若磁感应强度大小在时间内从0均匀增加到，求：（1）戒指中的感应电动势和电流；（2）戒指中电流的热功率。【答案】（1），；（2）【规范答题】（1）设戒指的半径为，则有磁感应强度大小在时间内从0均匀增加到，产生的感应电动势为可得戒指的电阻为则戒指中的感应电流为（2）戒指中电流的热功率为典例3：（2022·浙江·高考真题）舰载机电磁弹射是现在航母最先进的弹射技术，我国在这一领域已达到世界先进水平。某兴趣小组开展电磁弹射系统的设计研究，如图1所示，用于推动模型飞机的动子（图中未画出）与线圈绝缘并固定，线圈带动动子，可在水平导轨上无摩擦滑动。线圈位于导轨间的辐向磁场中，其所在处的磁感应强度大小均为B。开关S与1接通，恒流源与线圈连接，动子从静止开始推动飞机加速，飞机达到起飞速度时与动子脱离；此时S掷向2接通定值电阻R0，同时施加回撤力F，在F和磁场力作用下，动子恰好返回初始位置停下。若动子从静止开始至返回过程的v-t图如图2所示，在t1至t3时间内F=(800－10v）N，t3时撤去F。已知起飞速度v1=80m/s，t1=1.5s，线圈匝数n=100匝，每匝周长l=1m，飞机的质量M=10kg，动子和线圈的总质量m=5kg，R0=9.5Ω，B=0.1T，不计空气阻力和飞机起飞对动子运动速度的影响，求（1）恒流源的电流I；（2）线圈电阻R；（3）时刻t3。【答案】（1）80A；（2）；（3）【规范答题】（1）由题意可知接通恒流源时安培力动子和线圈在0~t1时间段内做匀加速直线运动，运动的加速度为根据牛顿第二定律有代入数据联立解得（2）当S掷向2接通定值电阻R0时，感应电流为此时安培力为所以此时根据牛顿第二定律有由图可知在至期间加速度恒定，则有解得，（3）根据图像可知故；在0~t2时间段内的位移而根据法拉第电磁感应定律有电荷量的定义式可得从t3时刻到最后返回初始位置停下的时间段内通过回路的电荷量，根据动量定理有联立可得解得1．（2022·海南·昌江黎族自治县矿区中学二模）如图，两光滑平行金属导轨置于水平面（纸面）内，两轨间距为l=1m，左端连有阻值为R=2Ω的电阻。一金属杆置于导轨上，金属杆右侧存在一磁感应强度大小为B=1T、方向竖直向下的匀强磁场区域。开始时，金属杆静止在磁场左边界，某时刻开始以加速度a=0.2m/s2进入磁场区域做匀加速直线运动，在t=2s末到达图中虚线位置。金属杆与导轨始终保持垂直且接触良好。除左端所连电阻R外，其它电阻忽略不计。求：（1）2s末金属杆的速度大小v；（2）2s末金属杆受到的安培力大小F；（3）2s末电流的功率大小P。【答案】（1）0.4m/s；（2）0.2N；（3）0.08W【规范答题】（1）根据匀变速直线运动学公式有（2）感应电动势为电流大小为则安培力大小为（3）电功率2．（2022·江苏盐城·三模）某实验小组利用塑料小车模拟探究电电磁刹车的效果在遥控小车底面安装与小车底面长宽均相同的匝矩形导线框，其总电阻为，其平面与水平地面平行，如图所示，小车在车场外以恒定功率做直线运动，受到地面阻力恒为，车头刚进入磁场时已达到最大速度，牵引力立即变为；车尾刚出磁场时速度恰好为零，已知底面长为，宽为的小车总质量为，宽为的有界磁场感应强度为，方向竖直向上，不计空气阻力；求小车：（1）刚进磁场时，导线框中的电流强度；（2）从进磁场到完全出磁场过程，安培力做的功。【答案】（1）；（2）【规范答题】（1）小车刚进磁场时，产生的电动势为根据闭合电路欧姆定律可得导线框中的电流为（2）从进磁场到完全出磁场过程，根据动能定理可得解得安培力做的功为3．（2022·天津·耀华中学二模）磁流体推动船的动力来源于电流和磁场间的相互作用。图1是在平静海面上某小型实验船的示意图，磁流体推动由磁体、电极和矩形通道（简称通道）组成。如图2所示，通道尺寸a=2.0m，b=0.25m，c=0.10m。工作时，在通道内沿z轴正方向加B=8.0T的匀强磁场；沿x轴负方向加匀强电场，使两金属板间的电压U=100V；海水沿y轴方向流过通道。已知海水的电阻率。（1）船静止时，求电源接通瞬间推进器对海水推力的大小；（2）船以v=5.0m/s的速度匀速前进。若以船为参考物，海水以5.0m/s的速率涌入进水口，切割磁感线的效果与导体棒类似，求此时两金属板间产生的感应电动势U感；（3）船行驶时，通道中海水两侧的电压按计算，海水受到电磁力的80%可以转化为对船的推力。当船以v=5.0m/s的速度匀速前进时，求海水推力的功率。【答案】（1）；（2）；（3）2880W【规范答题】（1）根据电阻定律安培力解得（2）两金属板间产生的感应电动势（3）通道中的电流安培力海水推力的功率4．（2022·福建·福州三中模拟预测）如图甲所示，PQNM是表面粗糙的绝缘斜面，abcd是质量m＝0.5kg、总电阻、边长L＝0.5m的正方形金属线框，线框的匝数N＝10。将线框放在斜面上，使斜面的倾角由开始缓慢增大，当增大到时，线框即将沿斜面下滑。假设最大静摩擦力与滑动摩擦力大小相等，现保持斜面的倾角不变，在的区域加上垂直斜面方向的匀强磁场，使线框的一半处于磁场中，磁场的磁感应强度B随时间t变化的图像如图乙所示。（g取，）（1）试根据图乙写出B随时间t变化的函数关系式。（2）请通过计算判断在t=0时刻线框是否会沿斜面运动？（3）若在t＝0时刻线框会运动，此时刻线框的加速度多大？若在t＝0时刻线框不运动，求出从t＝0时刻开始经多长时间线框即将发生运动？【答案】（1）；（2）不会沿斜面运动；（3）2.5s【规范答题】（1）由图乙可知：磁感应强度B随时间均匀增大，即其中故B随时间t变化的函数关系式为（2）当增大到时，线框即将沿斜面下滑，此时斜面对线框的摩擦力恰好达到最大值fm，由平衡条件有加磁场后压力不变，最大静摩擦力不变，由楞次定律可知无论磁场方向垂直于斜面向上还是向下，当磁通量增大时安培力都是沿斜面向上，因此线框若要运动，则应沿斜面向上运动，即由法拉第电磁感应定律得由闭合电路欧姆定律得在t=0时刻线框所受安培力为故在t=0时刻线框不会沿斜面运动；（3）当摩擦力方向沿斜面向下达到最大值时，线框即将沿斜面向上运动，此时可得磁感应强度大小为1.2T，由（1）可知所经历的时间为5．（2022·江苏常州·三模）如图甲所示，轻绳系一质量为m=0.8kg，半径为1m的圆形线圈，已知线圈总电阻R=0.5Ω，在线圈上半部分布着垂直于线圈平面向里，大小随时间变化的磁场，如图乙所示，g取10m/s2，求：（1）线圈下半圆的端点的路端电压Uab；（2）绳的拉力与时间t的关系。【答案】（1）；（2）【规范答题】（1）线圈中产生的感应电动势大小为根据楞次定律可知线圈中电流沿逆时针方向，所以Ua＞Ub，根据闭合电路欧姆定律可得（2）由乙图可知B随t变化的关系为线圈中电流为线圈所受安培力的有效长度等于直径，则根据平衡条件可得绳的拉力与时间t的关系为6．（2022·广东深圳·二模）图甲和图乙所示是手动式手电筒内振动式发电机的两个截面图，半径为、匝数为100的线圈a，所在位置的磁感应强度。线圈a接原副线圈匝数比为的理想变压器，给两个额定电流均为的灯泡供电。推动手柄使线圈a沿轴线往复运动，线圈a中电动势随时间按正弦规律变化，如图丙所示。线圈a及导线电阻不计。求：（1）图丙中电动势的表达式；（2）若手动发电的效率为，两灯泡正常发光，手动做功的功率；（3）线圈a往复运动过程中的最大速度。【答案】（1）；（2）；（3）【规范答题】（1）由丙图可知且根据电动势的表达式可得（2）设原线圈中电压的有效值，根据可得设副线圈两端电压为，根据理想变压器公式可得灯泡功率可得人对手电筒做功的功率为（3）根据法拉第电磁感应定律得解得7．（2022·上海黄浦·二模）如图所示，足够长的光滑竖直平行金属轨道处于一个很大的匀强磁场中，已知轨道宽为l，磁感应强度大小为B、方向垂直轨道平面水平指向纸里。轨道上端接入一个滑动变阻器和一个定值电阻，已知滑动变阻器的最大阻值为R，定值电阻阻值为，.轨道下端有根金属棒CD恰好水平搁在轨道