考点14 电磁感应—五年（2020—2024年）高考物理真题专项分类汇编(含答案)

这是一份考点14 电磁感应—五年（2020—2024年）高考物理真题专项分类汇编(含答案)，共25页。试卷主要包含了单选题，多选题，计算题等内容，欢迎下载使用。

一、单选题
1．如图，相距为d的固定平行光滑金属导轨与阻值为R的电阻相连，处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度为L的导体棒沿导轨向右做匀速直线运动，速度大小为v。则导体棒ab所受的安培力为( )
A.，方向向左B.，方向向右
C.，方向向左D.，方向向右
2．工业上常利用感应电炉冶炼合金，装置如图所示。当线圈中通有交变电流时，下列说法正确的是( )
A.金属中产生恒定感应电流
B.金属中产生交变感应电流
C.若线圈匝数增加，则金属中感应电流减小
D.若线圈匝数增加，则金属中感应电流不变
3．电磁俘能器可在汽车发动机振动时利用电磁感应发电实现能量回收，结构如图甲所示。两对永磁铁可随发动机一起上下振动，每对永磁铁间有水平方向的匀强磁场，磁感应强度大小均为B.磁场中，边长为L的正方形线圈竖直固定在减震装置上。某时刻磁场分布与线圈位置如图乙所示，永磁铁振动时磁场分界线不会离开线圈。关于图乙中的线圈。下列说法正确的是( )
A.穿过线圈的磁通量为
B.永磁铁相对线圈上升越高，线圈中感应电动势越大
C.永磁铁相对线圈上升越快，线圈中感应电动势越小
D.永磁铁相对线圈下降时，线圈中感应电流的方向为顺时针方向
4．某小组设计了一种呼吸监测方案：在人身上缠绕弹性金属线圈，观察人呼吸时处于匀强磁场中的线圈面积变化产生的电压，了解人的呼吸状况。如图所示，线圈P的匝数为N，磁场的磁感应强度大小为B，方向与线圈轴线的夹角为θ。若某次吸气时，在t时间内每匝线圈面积增加了S，则线圈P在该时间内的平均感应电动势为( )
A.B.C.D.
5．汽车测速利用了电磁感应现象，汽车可简化为一个矩形线圈abcd，埋在地下的线圈分别为1、2，通上顺时针（俯视）方向电流，当汽车经过线圈时( )
A.线圈1、2产生的磁场方向竖直向上
B.汽车进入线圈1过程产生感应电流方向为abcd
C.汽车离开线圈1过程产生感应电流方向为abcd
D.汽车进入线圈2过程受到的安培力方向与速度方向相同
6．如图所示，质量为M、电阻为R、长为L的导体棒，通过两根长均为l、质量不计的导电细杆连在等高的两固定点上，固定点间距也为L。细杆通过开关S可与直流电源或理想二极管串接。在导体棒所在空间存在磁感应强度方向竖直向上、大小为B的匀强磁场，不计空气阻力和其他电阻。开关S接1，当导体棒静止时，细杆与竖直方向的夹角；然后开关S接2，棒从右侧开始运动完成一次振动的过程中( )
A.电源电动势
B.棒消耗的焦耳热
C.从左向右运动时，最大摆角小于
D.棒两次过最低点时感应电动势大小相等
7．如图1所示，光滑的平行导电轨道水平固定在桌面上，轨道间连接一可变电阻，导体杆与轨道垂直并接触良好（不计杆和轨道的电阻），整个装置处在垂直于轨道平面向上的匀强磁场中.杆在水平向右的拉力作用下先后两次都由静止开始做匀加速直线运动，两次运动中拉力大小与速率的关系如图2所示.其中，第一次对应直线①，初始拉力大小为，改变电阻阻值和磁感应强度大小后，第二次对应直线②，初始拉力大小为，两直线交点的纵坐标为.若第一次和第二次运动中的磁感应强度大小之比为k、电阻的阻值之比为m、杆从静止开始运动相同位移的时间之比为n，则可能为( )
A.B.
C.D.
8．如图所示，半径为r的圆形区域内有垂直于纸面的匀强磁场，磁感应强度B随时间t的变化关系为为常量，则图中半径为R的单匝圆形线圈中产生的感应电动势大小为( )
A.B.C.D.
二、多选题
9．如图所示，两条相同的半圆弧形光滑金属导轨固定在水平桌面上，其所在平面竖直且平行，导轨最高点到水平桌面的距离等于半径，最低点的连线与导轨所在竖直面垂直。空间充满竖直向下的匀强磁场（图中未画出），导轨左端由导线连接。现将具有一定质量和电阻的金属棒平行放置在导轨图示位置，由静止释放。运动过程中始终平行于且与两导轨接触良好，不考虑自感影响，下列说法正确的是( )
A.最终一定静止于位置
B.运动过程中安培力始终做负功
C.从释放到第一次到达位置过程中，的速率一直在增大
D.从释放到第一次到达位置过程中，中电流方向由M到N
10．两根足够长的导轨由上下段电阻不计，光滑的金属导轨组成，在M、N两点绝缘连接，M、N等高，间距，连接处平滑。导轨平面与水平面夹角为30°，导轨两端分别连接一个阻值的电阻和的电容器，整个装置处于的垂直导轨平面斜向上的匀强磁场中，两根导体棒ab、cd分别放在MN两侧，质量分为，，ab棒电阻为0.08Ω，cd棒的电阻不计，将ab由静止释放，同时cd从距离MN为处在一个大小，方向沿导轨平面向上的力作用下由静止开始运动，两棒恰好在M、N处发生弹性碰撞，碰撞前瞬间撤去F，已知碰前瞬间ab的速度为4.5m/s，( )
A.ab从释放到第一次碰撞前所用时间为1.44s
B.ab从释放到第一次碰撞前，R上消耗的焦耳热为0.78J
C.两棒第一次碰撞后瞬间，ab的速度大小为6.3m/s
D.两棒第一次碰撞后瞬间，cd的速度大小为8.4m/s
11．某电磁缓冲装置如图所示，两足够长的平行金属导轨置于同一水平面内，导轨左端与一阻值为R的定值电阻相连，导轨段与段粗糙，其余部分光滑，右侧处于竖直向下的匀强磁场中，一质量为m的金属杆垂直导轨放置。现让金属杆以初速度沿导轨向右经过进入磁场，最终恰好停在处。已知金属杆接入导轨之间的阻值为R，与粗糙导轨间的摩擦因数为。导轨电阻不计，重力加速度为g，下列说法正确的是( )
A.金属杆经过的速度为
B.在整个过程中，定值电阻R产生的热量为
C.金属杆经过与区域，金属杆所受安培力的冲量相同
D.若将金属杆的初速度加倍，则金属杆在磁场中运动的距离大于原来的2倍
12．如图，两根光滑平行金属导轨固定在绝缘水平面上，左、右两侧导轨间距分别为d和，处于竖直向上的磁场中，磁感应强度大小分别为和B。已知导体棒MN的电阻为R、长度为d，导体棒PQ的电阻为、长度为的质量是MN的2倍。初始时刻两棒静止，两棒中点之间连接一压缩量为L的轻质绝缘弹簧。释放弹簧，两棒在各自磁场中运动直至停止，弹簧始终在弹性限度内。整个过程中两棒保持与导轨垂直并接触良好，导轨足够长且电阻不计。下列说法正确的是( )
A.弹簧伸展过程中，回路中产生顺时针方向的电流
B.PQ速率为v时，MN所受安培力大小为
C.整个运动过程中，MN与PQ的路程之比为2:1
D.整个运动过程中，通过MN的电荷量为
13．如图1，绝缘水平面上四根完全相同的光滑金属杆围成矩形，彼此接触良好，匀强磁场方向竖直向下。金属杆2、3固定不动，1、4同时沿图1箭头方向移动，移动过程中金属杆所围成的矩形周长保持不变。当金属杆移动到图2位置时，金属杆所围面积与初始时相同。在此过程中( )
A.金属杆所围回路中电流方向保持不变
B.通过金属杆截面的电荷量随时间均匀增加
C.金属杆1所受安培力方向与运动方向先相同后相反
D.金属杆4所受安培力方向与运动方向先相反后相同
14．如图所示，xOy平面的第一、三象限内以坐标原点O为圆心、半径为的扇形区域充满方向垂直纸面向外的匀强磁场.边长为L的正方形金属框绕其始终在O点的顶点、在xOy平面内以角速度ω顺时针匀速转动.时刻，金属框开始进入第一象限.不考虑自感影响，关于金属框中感应电动势E随时间t变化规律的描述正确的是( )
A.在到的过程中，E一直增大
B.在到的过程中，E先增大后减小
C.在到的过程中，E的变化率一直增大
D.在到的过程中，E的变化率一直减小
三、计算题
15．如图甲所示为某种“电磁枪”的原理图。在竖直向下的匀强磁场中，两根相距L的平行长直金属导轨水平放置，左端接电容为C的电容器，一导体棒放置在导轨上，与导轨垂直且接触良好，不计导轨电阻及导体棒与导轨间的摩擦。已知磁场的磁感应强度大小为B，导体棒的质量为m、接入电路的电阻为R。开关闭合前电容器的电荷量为Q。
（1）求闭合开关瞬间通过导体棒的电流I；
（2）求闭合开关瞬间导体棒的加速度大小a；
（3）在图乙中定性画出闭合开关后导体棒的速度v随时间t的变化图线。
16．如图所示，一“U”型金属导轨固定在竖直平面内，一电阻不计，质量为m的金属棒ab垂直于导轨，并静置于绝缘固定支架上。边长为L的正方形cdef区域内，存在垂直于纸面向外的匀强磁场。支架上方的导轨间，存在竖直向下的匀强磁场。两磁场的磁感应强度大小B随时间的变化关系均为（SI），k为常数（）。支架上方的导轨足够长，两边导轨单位长度的电阻均为r，下方导轨的总电阻为R。时，对ab施加竖直向上的拉力，恰使其向上做加速度大小为a的匀加速直线运动，整个运动过程中ab与两边导轨接触良好。已知ab与导轨间动摩擦因数为μ，重力加速度大小为g。不计空气阻力，两磁场互不影响。
（1）求通过面积的磁通量大小随时间t变化的关系式，以及感应电动势的大小，并写出ab中电流的方向；
（2）求ab所受安培力的大小随时间t变化的关系式；
（3）求经过多长时间，对ab所施加的拉力达到最大值，并求此最大值。
17．某兴趣小组为研究非摩擦形式的阻力设计了如图甲的模型。模型由大齿轮、小齿轮、链条、阻力装置K及绝缘圆盘等组成。K由固定在绝缘圆盘上两个完全相同的环状扇形线圈、组成。小齿轮与绝缘圆盘固定于同一转轴上，转轴轴线位于磁场边界处，方向与磁场方向平行，匀强磁场磁感应强度大小为B，方向垂直纸面向里，与K所在平面垂直。大、小齿轮半径比为n，通过链条连接。K的结构参数见图乙，其中，每个线圈的圆心角为，圆心在转轴轴线上，电阻为R。不计摩擦，忽略磁场边界处的磁场，若大齿轮以ω的角速度保持匀速转动，以线圈的ab边某次进入磁场时为计时起点，求K转动一周。
（1）不同时间线圈受到的安培力大小；
（2）流过线圈的电流有效值；
（3）装置K消耗的平均电功率。
18．如图，边长为的正方形金属细框固定放置在绝缘水平面上，细框中心O处固定一竖直细导体轴。间距为L、与水平面成θ角的平行导轨通过导线分别与细框及导体轴相连。导轨和细框分别处在与各自所在平面垂直的匀强磁场中，磁感应强度大小均为B。足够长的细导体棒OA在水平面内绕O点以角速度ω匀速转动，水平放置在导轨上的导体棒CD始终静止。OA棒在转动过程中，CD棒在所受安培力达到最大和最小时均恰好能静止。已知CD棒在导轨间的电阻值为R，电路中其余部分的电阻均不计，CD棒始终与导轨垂直，各部分始终接触良好，不计空气阻力，重力加速度大小为g。
（1）求CD棒所受安培力的最大值和最小值。
（2）锁定OA棒，推动CD棒下滑，撤去推力瞬间，CD棒的加速度大小为a，所受安培力大小等于（1）问中安培力的最大值，求CD棒与导轨间的动摩擦因数。
19．如图1所示，刚性导体线框由长为L、质量均为m的两根竖杆，与长为2l的两轻质横杆组成，且.线框通有恒定电流，可以绕其中心竖直轴转动.以线框中心O为原点、转轴为z轴建立直角坐标系，在y轴上距离O为a处，固定放置一半径远小于a，面积为S、电阻为R的小圆环，其平面垂直于y轴.在外力作用下，通电线框绕转轴以角速度ω匀速转动，当线框平面与xOz平面重合时为计时零点，圆环处的磁感应强度的y分量与时间的近似关系如图2所示，图中已知.
（1）求0到时间内，流过圆环横截面的电荷量q；
（2）沿y轴正方向看以逆时针为电流正方向，在时间内，求圆环中的电流与时间的关系；
（3）求圆环中电流的有效值；
（4）当撤去外力，线框将缓慢减速，经时间角速度减小量为，设线框与圆环的能量转换效率为k，求的值[当，有].
20．光滑的水平长直轨道放在匀强磁场中，轨道宽，一导体棒长也为，质量，电阻，它与导轨接触良好。当开关与a接通时，电源可提供恒定的1A电流，电流方向可根据需要进行改变，开关与b接通时，电阻，若开关的切换与电流的换向均可在瞬间完成，求：
①当棒中电流由M流向N时，棒的加速度的大小和方向是怎样的；
②当开关始终接a，要想在最短时间内使棒向左移动而静止，则棒的最大速度是多少；
③要想棒在最短时间内向左移动而静止，则棒中产生的焦耳热是多少。
参考答案
1．答案：A
解析：导体棒ab切割磁感线在电路部分得有效长度为d，故感应电动势为
回路中感应电流为
根据右手定则，判断电流方向为b流向a。故导体棒ab所受的安培力为
方向向左。
故选A。
2．答案：B
解析：AB.当线圈中通有交变电流时，感应电炉金属内的磁通量也不断随之变化，金属中产生交变感应电流，A错误，B正确；
CD.若线圈匝数增加，根据电磁感应定律可知，感应电动势增大，则金属中感应电流变大，CD错误。
故选B。
3．答案：D
解析：A.根据图乙可知此时穿过线圈的磁通量为0，故A错误；BC.根据法拉第电磁感应定律可知永磁铁相对线圈上升越快，磁通量变化越快，线圈中感应电动势越大，故BC错误；D.永磁铁相对线圈下降时，根据安培定则可知线圈中感应电流的方向为顺时针方向，故D正确。故选D。
4．答案：A
解析：根据法拉第电磁感应定律有，A正确。
5．答案：C
解析：由右手螺旋定则可知，线圈1、2形成的磁场方向都是竖直向下的，A错；汽车进入线圈1时，线圈abcd中向下的磁通量增大，由楞次定律可判断，线圈abcd中的感应电流方向与线圈1反向，是逆时针，即感应电流方向为adcb，同理，汽车离开线圈1时，线圈abcd中向下的磁通量减小，线圈abcd中的感应电流方向是顺时针，即感应电流方向为abcd，故B错，C对；安培力为阻力，与速度方向相反，D错。
6．答案：C
解析：作出静止时导体棒的受力图如图所示，由于，故安培力，又，电流，解得，A错；开关S接2，导体棒先向左运动，回路中有电流，棒会产生焦耳热，然后由于重力的作用，棒向右运动，由于二极管的作用，此过程回路中无电流，棒不会产生焦耳热，故导体棒完成一次全振动，在最低点时速度不为0，即，由能量守恒定律可知棒完成一次振动的过程消耗的焦耳热满足，所以，B错；导体棒从右向左摆动，会产生焦耳热，故由能量守恒定律可知，其从右向左运动的最大摆角小于，由对称性可知导体棒从左向右摆动时，最大摆角也小于，C对；导体棒第二次通过最低点的速度小于第一次通过最低点的速度，故两次通过最低点的速度大小不等，由，可知，产生的感应电动势大小也不相等，D错。
7．答案：C
解析：设杆的质量为，由题知杆在水平向右的拉力作用下先后两次都由静止开始做匀加速直线运动，则在时分别有，则第一次和第二次运动中，杆从静止开始运动相同位移的时间分别为，则，A、D错误；第一次和第二次运动中根据牛顿第二定律有，则可知两次运动中图像的斜率为，由图2易知直线①与直线②的斜率之比为2，则有，代入B、C选项中的m和k可知，C正确，B错误.
8．答案：A
解析：由法拉第电磁感应定律可知，，A正确.
9．答案：ABD
解析：由楞次定律结合左手定则可知，安培力与的运动方向的夹角始终大于90°，则安培力始终做负功，最终一定静止在位置，AB正确；根据楞次定律可知，从释放到第一次到达位置过程中，中电流方向由M到N，D正确；从释放到第一次到达位置过程中，在即将到达位置的时刻，所受安培力水平向左，沿速度方向的分力一定大于所受重力沿速度方向的分力，处于减速状态，C错误。故选ABD。
10．答案：BD
解析：A.由于金属棒ab、cd同时由静止释放，且恰好在M、N处发生弹性碰撞，则说明ab、cd在到达M、N处所用的时间是相同的，对金属棒cd和电容器组成的回路有
对cd根据牛顿第二定律有
其中，
联立有
则说明金属棒cd做匀加速直线运动，则有
联立解得，
故A错误；
B.由题知，知碰前瞬间ab的速度为4.5m/s，则根据功能关系有
金属棒下滑过程中根据动量定理有
其中，
联立解得，，
则R上消耗的焦耳热为
故B正确；
CD.由于两棒恰好在M、N处发生弹性碰撞，取沿斜面向下为正，有
其中
联立解得，
故C错误、D正确。
11．答案：CD
解析：设金属杆经过的速度大小为，则对金属杆从运动到的过程，由动量定理有，又，则，对金属杆从运动到的过程，由动量定理有，又，则，分析可知，解得，即金属杆经过的速度大于，A错误；整个过程，由能量守恒定律可得，由于通过定值电阻R和金属杆的电流时刻相等，则由焦耳定律可知，联立可得，B错误；规定水平向左为正方向，则结合A项分析可知，金属杆经过区域，金属杆所受安培力的冲量，金属杆经过区域，金属杆所受安培力的冲量，可得，即金属杆经过与区域，金属杆所受安培力的冲量相同，C正确；若将金属杆的初速度加倍，则对金属杆从运动到的过程，由动量定理有，对金属杆从运动到的过程，由动量定理有，即，又由运动学知识有，则结合A项分析联立可得金属杆经过的速度，对金属杆经过之后的运动过程，由动量定理有，又由A项分析有，则，故金属杆在磁场中运动的距离为，即金属杆在磁场中运动的距离大于原来的2倍，D正确。
12．答案：AC
解析：弹簧伸展的过程中，穿过闭合回路的磁通量向上增加，由楞次定律可判断回路中的电流方向为顺时针，A正确；设MN的质量为m，则PQ的质量为，对PQ由动量定理得，对MN由动量定理得，解得导体棒MN的速度为速率为v时，回路中的感应电动势大小为，回路中的感应电流大小为，则MN所受的安培力大小为，B错误；由B选项分析可知整个运动过程中MN与PQ的速率之比始终为2:1，则MN与PQ的路程之比为2:1，C正确；由C选项分析可知两导体棒静止时，MN的位移大小为，PQ的位移大小为，由法拉第电磁感应定律得，又，通过MN的电荷量为，整理得，代入数据解得，D错误。
13．答案：CD
解析：由题意结合数学知识可知，周长相等的矩形，当长和宽相等时面积最大，则四根金属杆构成的回路面积先增大后减小，由楞次定律可知回路中感应电流的方向先沿逆时针方向，后沿顺时针方向，A错误；由左手定则可知金属杆1所受的安培力方向先与运动方向相同，后与运动方向相反，而金属杆4所受安培力的方向先与运动方向相反，后与运动方向相同，CD正确；由题意可知，金属杆1、4的速度大小相等，设其速度大小为v，初始时金属杆1与金属杆2间的距离为，金属杆3与金属杆4间的距离为，运动时间为t，则四根金属杆围成矩形的面积为，由法拉第电磁感应定律有，又，则回路中产生的位电流大小不恒定，因此通过金属杆横截面的电荷量不会随时间均匀增加，B错误。
14．答案：BC
解析：在到的过程中，金属框转过45°，切割磁感线的有效长度逐渐增大到最大值，在到的过程中，金属框再转过45°，切割磁感线的有效长度从最大值开始逐渐减小，因此在到的过程中，感应电动势E先增大后减小，A错误，B正确；在到的过程中，金属框转过45°，穿过金属框的磁通量，在0到45°范围内，与t的关系图像如图甲所示，感应电动势与t的关系图像如图乙所示，图像切线的斜率表示感应电动势E的变化率，可知在到的过程中，E的变化率一直增大，C正确，D错误.
15．答案：（1）
（2）
（3）
解析：（1）开关闭合前电容器的电荷量为Q，则电容器两极板间电压
开关闭合瞬间，通过导体棒的电流
解得闭合开关瞬间通过导体棒的电流为
（2）开关闭合瞬间由牛顿第二定律有
将电流I代入解得
（3）由（2）中结论可知，随着电容器放电，所带电荷量不断减少，所以导体棒的加速度不断减小，其图线如图所示
16．答案：（1），，从a流向b；（2）；（3）
解析：（1）通过面积的磁通量大小随时间t变化的关系式为
根据法拉第电磁感应定律得
由楞次定律可知ab中的电流从a流向b。
（2）根据左手定则可知ab受到的安培力方向垂直导轨面向里，大小为
其中
设金属棒向上运动的位移为x，则根据运动学公式
所以导轨上方的电阻为
由闭合电路欧姆定律得
联立得ab所受安培力的大小随时间t变化的关系式为
（3）由题知时，对ab施加竖直向上的拉力，恰使其向上做加速度大小为a的匀加速直线运动，则对ab受力分析由牛顿第二定律
其中
联立可得
整理有
根据均值不等式可知，当时，F有最大值，故解得
F的最大值为
17．答案：（1）见解析；（2）；（3）
解析：（1）由题意知大齿轮以ω的角速度保持匀速转动，大小齿轮线速度相等，则
，
可得小齿轮转动的角速度为
转动周期为
以线圈的ab边某次进入磁场时为计时起点，到cd边进入磁场，经历的时间为
这段时间内线圈产生的电动势为
电流为
受到的安培力大小
当ab边和cd边均进入磁场后到ab边离开磁场，经历的时间为
由于线圈磁通量不变，无感应电流，安培力大小为0；
当线圈ab边离开磁场到cd边离开磁场，经历的时间为
此时的安培力大小由前面分析可知
方向与进入时相反；
当线圈cd边离开磁场到ab边进入磁场，经历的时间为
同理可知安培力为0。
（2）根据（1）可知设流过线圈的电流有效值为I，则根据有效值定义有
其中
，
联立解得
（3）根据题意可知流过线圈和的电流有效值相同，则在一个周期内装置K消耗的平均电功率为
18．答案：（1）；
（2）
解析：（1）当OA棒切割磁感线的有效长度为时，该棒产生的感应电动势最大，有
此时CD棒所受的安培力最大，结合和安培力公式有
当OA棒切割磁感线的有效长度为时，该棒产生的感应电动势最小，有
此时CD棒所受的安培力最小，有
（2）设CD棒的质量为m，CD棒与平行导轨间的最大静摩擦力为f
OA棒在转动过程中，CD棒在所受安培力达到最大和最小时均恰好静止，则有
结合（1）问分析有
则撤去推力瞬间，CD棒的加速度方向沿平行导轨向上，对CD棒由牛顿第二定律有
联立解得CD棒与导轨间的动摩擦因数为
19．答案：（1）
（2）时，时，
（3）
（4）
解析：（1）由法拉第电磁感应定律有，
由闭合电路欧姆定律有，
由电流定义式有，
联立可得.
（2）在时间内，，
在时间内，.
（3）根据电流有效值的定义，有，
解得.
（4）从能量角度分析，有，
整理可得，
即，
解得.
20．答案：①，方向向右；②③
解析：①当电流从M流向N时，由左手定则可判断安培力向右，故加速度方向向右。
根据牛顿第二定律有
代入数据可得
②开关始终接a时，电流N到M，经过时间后电流变为M到N，再经时间速度减为零，前，则有
后，则有
根据
联立解得
③先接a一段时间，电流由N到M，再接到b端一段时间，再接到a端一段时间，电流由M到N，最后接到b静止
第一段，则有，，
第二段，则有由动量定理
且
则有
第二段末的加速度与第三段相同，则第三段，
又
解得，，
故