新高考物理一轮复习专题13.2 法拉第电磁感应定律 自感和涡流 精品练习(含解析)
展开专题13.2 法拉第电磁感应定律 自感和涡流【练】
1、(2022·山东省莒南第一中学高三开学考试)如图所示,L为自感系数很大的线圈,但其自身的电阻几乎为0,A和B是两个相同的小灯泡。下列说法正确的是( )
A.S闭合瞬间,A先亮B后亮 B.S闭合稳定后,A、B一样亮
C.S断开,B立即熄灭,A闪亮后熄灭 D.S断开瞬间,A中电流方向自左向右
【答案】 C
【解析】A.S闭合的瞬间,电路中的电流突然增大,L会产生自感电流来阻碍线圈中变强的电流,即L相当于一个大电阻,可将其忽略不计,所以灯泡A、B会同时变亮,A错误;
B.S闭合稳定后,由于L的电阻几乎为零,所以灯泡A将被短路,只有灯泡B在亮,B错误;
C.S断开时,灯泡B将立即熄灭;电感L和灯泡A则组成了一个回路,自感电流将流过灯泡A,且刚开始时的电流比原来A灯亮时通过的电流大,所以灯泡A将闪亮后熄灭,C正确;
D.S断开的瞬间,电路中的电流突然减小,所以L中激发的自感电流与S断开之前电路中流过L的电流同向,所以自感电流在A中的方向为自右向左,D错误。
故选C。
2、(2022·河南·三模)航母上的飞机起飞可以利用电磁驱动来实现。电磁驱动原理示意图如图所示,在固定线圈左右两侧对称位置放置两个闭合金属圆环,铝环和铜环的形状、大小相同、已知铜的电阻率较小,不计所有接触面间的摩擦,则闭合开关S的瞬间( )
A.铝环向右运动,铜环向左运动 B.铝环和铜环都向右运动
C.铜环受到的安培力小于铝环受到的安培力 D.从左向右看,铜环中的感应电流沿顺时针方向
【答案】 D
【解析】AB.闭合开关S的瞬间,穿过两个金属圆环的磁通量均增大,为阻碍磁通量的增大,铝环向左运动,铜环向右运动,AB错误;
C.由于铜环和铝环的形状、大小相同,铜的电阻率较小,故铜环的电阻较小,两环对称地放在固定线圈两侧,闭合开关S瞬间,穿过两环的磁通量的变化率相同,两环产生的感应电动势相等,则铜环中的感应电流较大,故铜环受到的安培力较大,C错误;
D.由右手螺旋定则可知,闭合开关S瞬间,穿过铜环的磁通量向左增大,由楞次定律知,从左向右看,铜环中的感应电流沿顺时针方向,D正确。
故选D。
3、(2022·山东省莒南第一中学高三开学考试)如图所示,在磁感应强度为B的匀强磁场中,一导体棒ab绕O点在垂直于磁场的平面内匀速转动,角速度为,,导体棒产生的感应电动势大小为( )
A. B. C. D.
【答案】 C
【解析】根据题意,由公式可得,导体棒上点的速度为
导体棒上点的速度为
则导体棒产生的感应电动势大小为
故选C。
4、(2022·云南省玉溪第一中学高三开学考试)如图,面积为的50匝线圈处于匀强磁场中,磁场方向垂直于线圈平面向里。已知磁感应强度以0.5T/s的变化率增强,定值电阻,线圈电阻,不计其它电阻。下列说法正确的是( )
A.线圈中产生的感应电流方向为顺时针方向 B.线圈中产生的感应电动势大小为E=75V
C.通过的电流为I=5A D.ab两端的电压为U=4V
【答案】 D
【解析】A.根据楞次定律可以判断线圈感应电流的方向为逆时针方向,故A错误;
A.由法拉第电磁感应定律知
故B错误;
A.由闭合电路欧姆定律知
故C错误;
A.ab两端的电压等于R1的电压,为
故D正确。
故选D。
5、(2022·江苏盐城·三模)如图甲所示,一矩形线圈置于匀强磁场中,线圈平面与磁场方向垂直,磁场的磁感应强度随时间变化的规律如图乙所示。则线圈中产生的感应电动势的情况为( )
A.时刻感应电动势最大 B.时刻感应电动势为零
C.时刻感应电动势为零 D.时间内感应电动势增大
【答案】 D
【解析】由于线圈内磁场面积一定、磁感应强度变化,根据法拉第电磁感应定律,感应电动势为
A.时刻磁感应强度的变化率为零,感应电动势为零,A错误;
B.时刻磁感应强度的变化率不为零,则感应电动势不为零,B错误;
C.时刻磁感应强度的变化率不为零,感应电动势不为零,C错误;
D.时间内磁感应强度的变化率增大,感应电动势增大,D正确。
故选D。
6、(2022·江西省乐平中学高三开学考试)如图,两根固定的平行竖直导轨上端连有一电容器,空间中存在水平方向的匀强磁场,磁感应强度大小为B。一根质量为m的金属导体棒在导轨上由静止开始竖直下落,导体棒始终与导轨垂直且接触良好。重力加速度为g,电容器电容为C,导轨间距为d,则导体棒下落的加速度大小为( )
A.0 B.g C. D.
【答案】 D
【解析】导体棒下落过程中,速度越来越大,由公式,可知导体棒切制割磁感线产生的感应电动势也越来越大,不断地给电容器充电,形成充电电流,从而产生安培力,影响下落的加速度,由左手定则可判断导体棒受到的安培力方向向上,大小为
对于电容器有
即
对于导体棒,竖直方向上有
联立解得
故选D。
7、(多选)(2022·吉林延边·一模)电磁阻尼可以无磨损地使运动的线圈快速停下来。如图所示,扇形铜框在绝缘细杆作用下绕转轴O在同一水平面内快速逆时针转动,虚线把圆环分成八等份,扇形铜框恰好可以与其中一份重合。为使线框在电磁阻尼作用下停下来,实验小组设计了以下几种方案,其中虚线为匀强磁场的理想边界,边界内磁场大小均相同,其中不合理的是( )
A. B.
C. D.
【答案】 AD
【解析】AD.由于闭合导体所穿透的磁通量发生变化,闭合导体会产生感应电流,感应电流会使导体受到安培力,安培力的方向总是阻碍导体的相对运动,题意中的由于磁体不动,安培力对导体而言即为阻力。题中的扇形铜框在转动过程中,AD的设计中铜框没有磁通量变化,不会产生感应电流,不会产生安培阻力,故AD错误,符合题意;
BC.BC中的设计铜框磁通量有变化,会产生感应电流,形成安培阻力,故BC正确,不符合题意。
故选AD。
8、(多选)(2022·陕西师大附中高三开学考试)如图所示,边长为L的正方形单匝线框有一半水平放置在与水平方向夹角为30°的匀强磁场中,线框的左侧接入电阻R,右侧接入电容为C的电容器,其余电阻不计。若匀强磁场的磁感应强度B随时间t的变化规律如图乙所示(规定斜向下为正方向),则在时间内( )
A.电容器a板带负电
B.电容器所带的电荷量为零
C.线框中产生的感应电动势大小为
D.线框中产生的感应电动势大小为
【答案】 AD
【解析】A.依据楞次定律,结合规定斜向下为正方向,则在t0时间前,线圈的感应电流方向逆时针方向,当t0时间后,线圈的感应电流方向仍为逆时针方向,依据电源内部电流方向由负极到正极,因此电容器a板带负电,故A正确;
CD.根据法拉第电磁感应定律,线框中产生的电动势为
故C错误,D正确;
B.由上可知,在时间内线圈产生的感应电动势为,根据
Q=CU
可知电容器所带的电荷量不为零,故B错误。
故选AD。
9、(2022·江苏南通·高三开学考试)如图甲所示,一固定的矩形导体线圈水平放置,线圈的两端接一只小灯泡,在线圈所在空间内存在着与线圈平面垂直的均匀分布的磁场。已知线圈的匝数n=100匝,电阻r=1.0Ω,所围成的矩形的面积S=0.04m2,小灯泡的电阻R=9.0Ω,磁场的磁感应强度随时间变化的规律如图乙所示。不计灯丝电阻值随温度的变化,求:
(1)线圈中产生感应电动势的最大值;
(2)小灯泡消耗的电功率;
(3)在磁感应强度变化的时间内,通过小灯泡的电荷量。
【答案】 (1)8V;(2)2.88W;(3)C
【解析】(1)线圈中产生感应电动势的最大值为
(2)根据闭合电路欧姆定律有
根据功率公式有
(3)时间内电流的平均值为
通过小灯泡的电荷量为
10、(2022·江苏·南京师大附中模拟预测)如图所示,航天器A和卫星B均在赤道面内,它通过一根金属长绳相连,在各自的轨道上绕地球做自西向东的匀速圆周运动,不考虑绳系卫星与航天器之间的万有引力,忽略空气阻力,不计金属长绳的质量,则( )
A.正常运行时,金属长绳中拉力为零
B.绳系卫星B的线速度大于航天器A的线速度
C.由于存在地磁场,金属长绳上绳系卫星B端的电势高于航天器A端的电势
D.若在绳系卫星B的轨道上存在另一颗独立卫星C,其角速度大于绳系卫星B的角速度
【答案】 D
【解析】A.正常运行时,航天器A和卫星B的角速度相同,若仅在地球引力作用下做匀速圆周运动则航天器A角速度比卫星B的角速度小,故长绳中一定有弹力,故A错误;
B.由航天器A和卫星B的角速度相同,由,则航天器A的线速度大于绳系卫星B的线速度,故B错误;
C.地磁场的方向在赤道上空是由南向北,金属长绳由西向东切割磁感线,由右手定则知B端的电势低于航天器A端的电势,故C错误;
D.将航天器A和卫星B看作一个系统,则该系统的重心位置应大于卫星B的位置,即系统的轨道半径应大于卫星B的轨道半径,由系统只在地球引力作用下做匀速圆周运动有
则
知独立卫星C的角速度大于绳系卫星B的角速度,故D正确。
故选D。
11、(多选)(2022·广东·开平市忠源纪念中学模拟预测)如图所示,水平放置足够长光滑金属导轨和,与平行,是以为圆心的圆弧导轨,圆弧左侧和扇形内有方向如图的匀强磁场,金属杆的端与点用导线相接,端与圆弧接触良好,不可滑动的金属杆静止在平行导轨上,若杆绕点在匀强磁场区内从到匀速转动时,回路中始终有电流,则此过程中,下列说法正确的有( )
A.杆产生的感应电动势恒定
B.杆的电流方向从流向
C.杆上点的电势比点高
D.杆所受的安培力方向向右
【答案】 AC
【解析】AB.杆绕点在匀强磁场区内从到匀速转动时,假设磁感应强度为,金属杆长度为,转动角速度为,则产生的电动势为
可知电动势恒定不变,由右手定则可知,杆的电流方向从流向,A正确,B错误;
CD.杆的电流方向从流向,可知点的电势比点高,由左手定则可知杆所受的安培力方向向左,C正确,D错误;
故选AC。
12、(多选)(2022·广西桂林·高三开学考试)如图所示,电阻不计的水平U形光滑导轨上接一个阻值为的电阻,放在竖直向上、磁感应强度大小为的匀强磁场中,一个半径为L、质量为、电阻为的半圆形硬导体棒(直径与导轨垂直,并接触良好),在水平向右的恒定外力的作用下,由静止开始运动,当速度为时,位移为,下列说法正确的是( )
A.此时两端电压为
B.此时杆克服安培力做功的功率为
C.此过程中导体棒的平均速度小于
D.此过程中通过电阻的电荷量为
【答案】 BD
【解析】A.导体有效切割的长度等于半圆的直径,半圆形导体棒切割磁感线产生感应电动势的大小为
相当于电源,其两端电压为外电压,由欧姆定律得
A错误;
B.此时杆克服安培力做功的功率为
B正确;
C.若导体棒做匀加速运动,则平均速度等于,但是由于导体棒做加速度减小的加速运动,根据运动图像可知,此过程中的位移大于做匀加速过程的位移,则此过程中导体棒的平均速度大于, C错误;
D.根据
可知此过程中通过电阻的电荷量为
D正确。
故选BD。
13、(多选)(2022·湖北·恩施市第一中学模拟预测)如图所示,平行金属导轨与水平面成θ角,导轨与固定电阻和相连,匀强磁场垂直穿过导轨平面。有一导体棒ab,质量为,导体棒的电阻与固定电阻和的阻值均相等,与导轨之间的动摩擦因数为,导体棒ab沿导轨向上滑动,当上滑的速度为v时,受到安培力的大小为。此时( )
A.电阻消耗的热功率为
B.电阻消耗的热功率为
C.整个装置因摩擦而消耗的热功率为
D.整个装置消耗的机械功率为
【答案】 BC
【解析】AB.导体棒滑动的过程中切割磁感线,产生感应电动势,所以ab导体棒相当于电源,与并联,设导体棒、、的电阻均为,导体棒的长度为,则、并联后的电阻为
电路产生的总电流为
则导体棒所受的安培力为
、上消耗的功率相等,均为
A错误,B正确;
C.整个装置所受的摩擦力为,所以摩擦力消耗的功率为
C正确;
D.导体棒克服安培力和摩擦力做功使得导体棒机械能减少,所以整个装置消耗的机械功率为
D错误。
故选BC。
14、(多选)(2022·天津红桥·一模)如图所示,L是电感足够大的线圏,其直流电阻与灯泡的相同,D1和D2是相同的灯泡,若将电键S闭合,等灯泡亮度稳定后,再断开电键S,则( )
A.电键S闭合时,灯泡D1、D2同时亮,然后D1会变暗直到不亮,D2更亮
B.电键S闭合时,灯泡D1、D2同时亮,然后D1会变暗,D2更亮
C.电键S断开时,灯泡D1随之熄灭,而D2会过一会儿后才熄灭
D.电键S断开时,灯泡D2随之熄灭,而D1会过一会儿后才熄灭
【答案】 BD
【解析】AB.S闭合瞬间,电源电压同时加到两灯上,由于L的自感作用,L瞬间相当于断路,所以电流经过两灯,两灯同时亮,当电流稳定时,L与D1并联后再与D2串联,D1两端电压变小,D2两端电压变大,所以D1会变暗,D2更亮,故A错误,B正确;
CD.S断开时,D2立即熄灭,由于L的自感作用,导致线圈中出现感应电动势从而阻碍电流的减小,所以D1会过一会儿后才熄灭,故C错误,D正确。
故选BD。
15、(多选)(2022·辽宁·三模)如图所示,在以水平线段AD为直径的半圆形区域内有磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向里的有界匀强磁场。现有一个闭合导线框ACD由细软弹性电阻丝制成),端点A、D固定。在竖直面内,将导线与圆周的接触点C点以恒定角速度(相对圆心O)从A点沿圆弧移动至D点,使导线框上产生感应电流。设导线框的电阻恒为,圆的半径为,从A点开始计时,下列说法正确的是( )
A.导线框中感应电流的方向先逆时针,后顺时针
B.在C从A点移动到D的过程中,穿过ACD回路的磁通量与时间的关系为
C.在C从A点移动到图中位置的过程中,通过导线截面的电荷量为
D.若以AD为轴,保持,将导线框以恒定的角速度转,回路中的电动势逐渐减小
【答案】 ABC
【解析】A.依题意,回路中的磁通量先增大后减小,且磁场方向一直向里,根据楞次定律,感应电流产生的磁场方向先是向外然后再向里,则根据右手螺旋定则,感应电流的方向先是逆时针后是顺时针,故A正确;
B.依题意,C点在旋转过程中,有
故B正确;
C.依题意有
解得
故C正确;
D.若以AD为轴,保持, AC、CD边速度方向边与磁场方向夹角从零逐渐变大,依题意,其回路中的电动势与时间t的关系式为
将导线框以恒定的角速度转的过程中,其电动势逐渐变大,故D错误。
故选ABC。
16、(多选)(2022·广东·模拟预测)如图,长为2L、宽为L的矩形金属线框abcd放置在匀强磁场中,磁感应强度大小为B,方向平行于线框平面向上。当金属框绕对称轴ef以角速度逆时针匀速转动时,下面说法正确的是( )
A.线圈中没有感应电流
B.线圈中感应电流的方向为a→b→c→d→a
C.ad两点的电势差
D.ad两点的电势差
【答案】 AD
【解析】AB.当金属框绕对称轴ef以角速度逆时针匀速转动时,穿过线圈平面的磁通量始终为零。由楞次定律,线圈中没有感应电流。A正确;B错误;
CD.ad转动切割磁线,设ad中点为
ad两点的电势差
C错误;D正确。
故选AD。
17、(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
【解析】(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
18、(2022·天津·耀华中学一模)感应加速器可以简化为以下模型:在圆形区域内存在一方向垂直纸面向下,磁感应强度大小B随时间均匀变化的匀强磁场。在磁感应强度变化过程中,将产生涡旋电场,涡旋电场电场线是在水平面内一系列沿顺时针方向的同心圆,同一条电场线上各点的场强大小相等,涡旋电场场强与电势差的关系与匀强电场相同。在此区域内,沿垂直于磁场方向固定一半径为r的圆环形光滑细玻璃管,环心O在区域中心。一质量为m、带电量为+q小球(重力不计)位于玻璃管内部。设磁感应强度B随时间变化规律为,时刻小球由静止开始加速。求:
(1)小球沿玻璃管加速运动第一次到开始位置时速度的大小。
(2)设小球沿管壁运动第一周所用时间为,第二周所用时间为,为多大;
(3)实际过程中,小球对管壁的弹力F可以通过传感器测出,当(此时磁场已经反向)时,即可控制磁场不再变化并将小球从管中引出,试求整个过程中该加速装置的平均功率。
【答案】 (1);(2);(3)
【解析】(1)感生电动势大小
解得
(2)小球沿管运动过程中,带电小球运动每一圈过程中电场力做功相同则有
由于涡旋电场强度大小不发生变化,故小球沿管方向的运动是加速度大小不变的加速运动,根据匀变速运动规律则有
代入数据可得
(3)当F=0时,洛伦兹力提供向心力,根据牛顿第二定律
由于磁场已经反向,因此
又根据动量定理可得
而涡旋电场场强电势差的关系
该加速装置的平均功率
19、(2022·全国·高考真题)三个用同样的细导线做成的刚性闭合线框,正方形线框的边长与圆线框的直径相等,圆线框的半径与正六边形线框的边长相等,如图所示。把它们放入磁感应强度随时间线性变化的同一匀强磁场中,线框所在平面均与磁场方向垂直,正方形、圆形和正六边形线框中感应电流的大小分别为和。则( )
A. B. C. D.
【答案】 C
【解析】设圆线框的半径为r,则由题意可知正方形线框的边长为2r,正六边形线框的边长为r;所以圆线框的周长为
面积为
同理可知正方形线框的周长和面积分别为
,
正六边形线框的周长和面积分别为
,
三线框材料粗细相同,根据电阻定律
可知三个线框电阻之比为
根据法拉第电磁感应定律有
可得电流之比为:
即
故选C。
20、(多选)(2022·湖南·高考真题)如图,间距的U形金属导轨,一端接有的定值电阻,固定在高的绝缘水平桌面上。质量均为的匀质导体棒a和b静止在导轨上,两导体棒与导轨接触良好且始终与导轨垂直,接入电路的阻值均为,与导轨间的动摩擦因数均为0.1(设最大静摩擦力等于滑动摩擦力),导体棒距离导轨最右端。整个空间存在竖直向下的匀强磁场(图中未画出),磁感应强度大小为。用沿导轨水平向右的恒力拉导体棒a,当导体棒a运动到导轨最右端时,导体棒b刚要滑动,撤去,导体棒a离开导轨后落到水平地面上。重力加速度取,不计空气阻力,不计其他电阻,下列说法正确的是( )
A.导体棒a离开导轨至落地过程中,水平位移为
B.导体棒a离开导轨至落地前,其感应电动势不变
C.导体棒a在导轨上运动的过程中,导体棒b有向右运动的趋势
D.导体棒a在导轨上运动的过程中,通过电阻的电荷量为
【答案】 BD
【解析】C.导体棒a在导轨上向右运动,产生的感应电流向里,流过导体棒b向里,由左手定则可知安培力向左,则导体棒b有向左运动的趋势,故C错误;
A.导体棒b与电阻R并联,有
当导体棒a运动到导轨最右端时,导体棒b刚要滑动,有
联立解得a棒的速度为
a棒做平抛运动,有
联立解得导体棒a离开导轨至落地过程中水平位移为
故A错误;
B.导体棒a离开导轨至落地前做平抛运动,水平速度切割磁感线,则产生的感应电动势不变,故B正确;
D.导体棒a在导轨上运动的过程中,通过电路的电量为
导体棒b与电阻R并联,流过的电流与电阻成反比,则通过电阻的电荷量为
故D正确。
故选BD。
21、(多选)(2021·广东·高考真题)如图所示,水平放置足够长光滑金属导轨和,与平行,是以O为圆心的圆弧导轨,圆弧左侧和扇形内有方向如图的匀强磁场,金属杆的O端与e点用导线相接,P端与圆弧接触良好,初始时,可滑动的金属杆静止在平行导轨上,若杆绕O点在匀强磁场区内从b到c匀速转动时,回路中始终有电流,则此过程中,下列说法正确的有( )
A.杆产生的感应电动势恒定
B.杆受到的安培力不变
C.杆做匀加速直线运动
D.杆中的电流逐渐减小
【答案】 AD
【解析】A.OP转动切割磁感线产生的感应电动势为
因为OP匀速转动,所以杆OP产生的感应电动势恒定,故A正确;
BCD.杆OP匀速转动产生的感应电动势产生的感应电流由M到N通过MN棒,由左手定则可知,MN棒会向左运动,MN棒运动会切割磁感线,产生电动势与原来电流方向相反,让回路电流减小,MN棒所受合力为安培力,电流减小,安培力会减小,加速度减小,故D正确,BC错误。
故选AD。
22、(2020·天津·高考真题)如图所示,垂直于纸面向里的匀强磁场,磁感应强度B随时间t均匀变化。正方形硬质金属框abcd放置在磁场中,金属框平面与磁场方向垂直,电阻,边长。求
(1)在到时间内,金属框中的感应电动势E;
(2)时,金属框ab边受到的安培力F的大小和方向;
(3)在到时间内,金属框中电流的电功率P。
【答案】 (1)0.08V;(2)0.016N,方向垂直于ab向左;(3)0.064W
【解析】(1)在到的时间内,磁感应强度的变化量,设穿过金属框的磁通量变化量为,有
①
由于磁场均匀变化,金属框中产生的电动势是恒定的,有
②
联立①②式,代入数据,解得
③
(2)设金属框中的电流为I,由闭合电路欧姆定律,有
④
由图可知,时,磁感应强度为,金属框ab边受到的安培力
⑤
联立①②④⑤式,代入数据,解得
⑥
方向垂直于ab向左。⑦
(3)在到时间内,金属框中电流的电功率
⑧
联立①②④⑧式,代入数据,解得
⑨
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