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1、“杆导轨”模型是电磁感应问题高考命题的“基本道具”,也是高考的热点,考查的知识点多,题目的综合性强,物理情景变化空间大,是我们复习中的难点“杆导轨”模型又分为“单杆”型和 “双杆”型(“单杆”型为重点);导轨放置方式可分为水平、竖直和倾斜;杆的运动状态可分为匀速、匀变速、非匀变速运动等一、单棒问题基本模型运动特点最终特征阻尼式a逐渐减小的减速运动静止I=0电动式a逐渐减小的加速运动匀速I=0 (或恒定)发电式a逐渐减小的加速运动匀速I 恒定二、含容式单棒问题基本模型运动特点最终特征放电式a逐渐减小的加速运动匀速运动I0无外力充电式a逐渐减小的减速运动匀速运动I0有外力充电式匀加速运动匀加速运动
2、I 恒定三、无外力双棒问题基本模型运动特点最终特征无外力等距式杆1做a渐小的加速运动杆2做a渐小的减速运动v1=v2I0无外力不等距式杆1做a渐小的减速运动杆2做a渐小的加速运动a0I0L1v1=L2v2四、有外力双棒问题基本模型运动特点最终特征有外力等距式杆1做a渐大的加速运动杆2做a渐小的加速运动a1=a2,v 恒定I 恒定有外力不等距式杆1做a渐小的加速运动杆2做a渐大的加速运动a1a2,a1、a2恒定I 恒定【典例1】如图所示,质量m10.1 kg,电阻R10.3 ,长度l0.4 m的导体棒ab横放在U型金属框架上框架质量m20.2 kg,放在绝缘水平面上,与水平面间的动摩擦因数0.2
3、.相距0.4 m的MM、NN相互平行,电阻不计且足够长电阻R20.1 的MN垂直于MM.整个装置处于竖直向上的匀强磁场中,磁感应强度B0.5 T垂直于ab施加F2 N的水平恒力,ab从静止开始无摩擦地运动,始终与MM、NN保持良好接触当ab运动到某处时,框架开始运动设框架与水平面间最大静摩擦力等于滑动摩擦力,g取10 m/s2.(1)求框架开始运动时ab速度v的大小; (2)从ab开始运动到框架开始运动的过程中,MN上产生的热量Q0.1 J,求该过程ab位移x的大小【答案】(1)6 m/s(2)1.1 m (2)闭合回路中产生的总热量,Q总Q由能量守恒定律,得,Fxm1v2Q总代入数据解得x1
4、.1 m【典例2】如图所示,相距为L的两条足够长的光滑平行金属导轨与水平面的夹角为,上端接有定值电阻R,匀强磁场垂直于导轨平面,磁感应强度为B.将质量为m的导体棒由静止释放,当速度达到v时开始匀速运动,此时对导体棒施加一平行于导轨向下的拉力,并保持拉力的功率恒为P,导体棒最终以2v的速度匀速运动导体棒始终与导轨垂直且接触良好,不计导轨和导体棒的电阻,重力加速度为g.下列选项正确的是()AP2mgvsin BP3mgvsin C当导体棒速度达到时加速度大小为sin D在速度达到2v以后匀速运动的过程中,R上产生的焦耳热等于拉力所做的功【答案】AC【解析】导体棒由静止释放,速度达到v时,回路中的电
5、流为I,则根据平衡条件,有mgsin BIL.对导体棒施加一平行于导轨向下的拉力,以2v的速度匀速运动时,则回路中的电流为2I,有Fmgsin 2BIL,所以拉力Fmgsin ,拉力的功率PF2v2mgvsin ,故选项A正确、选项B错误;当导体棒的速度达到时,回路中的电流为,根据牛顿第二定律,得mgsin BLma,解得asin ,选项C正确;当导体棒以2v的速度匀速运动时,根据能量守恒定律,重力和拉力所做的功之和等于R上产生的焦耳热,故选项D错误【典例3】如图所示,电阻不计的光滑金属轨道相距0.4 m平行放置,轨道左侧为弧形,右侧水平且足够长,导轨的水平部分处于竖直向上的匀强磁场中,磁感应
6、强度为2 T.金属棒ab从弧形导轨上高为0.8 m处自静止滑下,进入导轨的水平部分,在水平部分导轨上静止有另一根金属棒cd,两金属棒的质量均为0.5kg,电阻均为1 ,金属棒ab始终没跟金属棒ed相碰.忽略一切阻力 ,重力加速度g=10 m/s.求: (1)金属棒ab进入磁场的瞬间,通过金属棒cd的电流大小和方向;(2)两金属棒的最终速度大小;(3)上述整个过程回路中产生的焦耳热Q.【答案】(1) ,方向由d到c(2) (3) (2)两杆最终速度相等.由动量守恒得m=2mv 解得v=2 m/s(3)由能量守恒得:Q=mgh=2J【跟踪短训】1如图所示,在磁感应强度B=1.0 T的匀强磁场中,质
7、量m=1kg的金属杆PQ在水平向右的外力F作用下沿着粗糙U形导轨以速度v=2 m/s 向右匀速滑动,U形导轨固定在水平面上,两导轨间距离1=1.0m,金属杆PQ与U形导轨之间的动摩擦因数=0.3, 电阻R=3.0 ,金属杆的电阻r=1.0 ,导轨电阻忽略不计,取重力加速度g=10 m/s,则下列说法正确的是 A 通过R的感应电流的方向为由d到aB 金属杆PQ切割磁感线产生的感应电动势的大小为2.0 VC 金属杆PQ受到的外力F的大小为2.5ND 外力F做功的数值大于电路上产生的焦耳热【答案】BD2如图,足够长的光滑导轨倾斜放置,导轨宽度为L,其下端与电阻R连接;导体棒ab电阻为r,导轨和导线电
8、阻不计,匀强磁场竖直向上。若导体棒ab以一定初速度v下滑,则ab棒A 所受安培力方向水平沿导轨向上B 可能以速度v匀速下滑C 刚下滑瞬间产生的电动势为BLvD 减少的重力势能等于电阻R产生的内能【答案】B【解析】根据右手定则判断可知,ab棒中感应电流方向从ba,由左手定则判断得知,棒ab所受的安培力方向水平向右,故A正确。当速度为v时,若安培力沿导轨向上的分力与重力沿导轨向下的分力大小相等,ab棒能以速度v匀速下滑,故B正确。刚下滑瞬间产生的感应电动势为 E=BLvcos,故C错误。根据能量守恒定律得知,若ab棒匀速下滑,其减少的重力势能等于电阻R和棒ab产生的内能之和;若ab棒加速下滑,其减
9、少的重力势能等于电阻R和棒ab产生的内能与棒ab增加的动能之和;若ab棒减速下滑,其减少的重力势能和动能之和等于电阻R和棒ab产生的内能之和,所以减少的重力势能不等于电阻R产生的内能。故D错误。故选B。3如图所示,足够长的光滑水平轨道,左侧间距为,右侧间距为。空间存在竖直向下的匀强磁场,磁感应强度大小为。质量均为的金属棒、垂直导轨放置在轨道上,开始时金属棒、均保持静止,现使金属棒以的速度向右运动,两金属棒在运动过程中始终相互平行且与导轨保持良好接触,棒总在宽轨上运动,棒总在窄轨上运动。取。下列说法正确的是( )A 棒刚开始运动时,回路中产生顺时针方向的电流(俯视)B 、棒最终都以的速度向右匀速
10、运动C 在两棒运动的整个过程中,电路中产生的焦耳热为D 在两棒运动的整个过程中,通过金属棒的电荷量为【答案】AD课后作业1如图所示,水平放置的光滑平行金属导轨固定在水平面上,左端接有电阻R,匀强磁场B竖直向下分布在位置a、c之间,金属棒PQ垂直导轨放置。今使棒以一定的初速度 水平向右运动,到位置b时棒的速度为v,到位置c时棒恰好静止。设导轨与棒的电阻均不计,a到b与b到c的间距相等,速度与棒始终垂直。则金属棒在由a到b和b到c的两个过程中)( )A 棒在磁场中的电流从Q流到PB 位置b时棒的速度C 棒运动的加速度大小相等D a到b棒的动能减少量大于b到c棒的动能减少量【答案】ABD2如图所示,
11、足够长的型光滑金属导轨与水平面成角,其中与平行且间距为间接有阻值为的电阻,匀强磁场垂直导轨平面,磁感应强度为,导轨电阻不计。质量为的金属棒由静止开始沿导轨下滑,并与两导轨始终保持垂直且良好接触, 棒接入电路的电阻为,当金属棒下滑距离时达到最大速度,重力加速度为,则在这一过程中( )A 金属棒做匀加速直线运动B 通过金属棒某一横截面的电量为C 金属棒克服安培力做功为D 电阻上的最大发热功率为【答案】BC3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,轨道左端MP间接一电容器,电容器的电容为C,一质量为m的导体棒ab垂直于MN、P
12、Q放在轨道上,与轨道接触良好,轨道和导体棒的电阻均不计。导体棒在水平向右的恒力F的作用下从静止开始运动,下列说法正确的是A 导体棒做变加速直线运动B 导体棒做匀加速直线运动C 经过时间t,导体棒的速度大小为D 经过时间t,导体棒的速度大小为【答案】BC【解析】导体棒ab向右加速运动,在极短时间内,导体棒的速度变化,根据加速度的定义,电容器增加的电荷,根据电流的定义,解得,导体棒ab受到的安培力,根据牛顿第二定律,解得:,故AD错误,BC正确;故选BC。4如图甲所示,有两根足够长、不计电阻,相距L=1m的平行光滑金属导轨cd、ef与水平面成=30固定放置,顶端接一阻值为R=2的电阻,在轨道平面内
13、有磁感应强度为B=0.5T的匀强磁场,方向垂直轨道平面向上,现有一质量为m=0.1kg、电阻不计的金属杆ab,平行于ce且垂直于导轨,以一定初速度沿轨道向上运动,此时金属杆的加速度,到达某一高度后,再沿轨道向下运动,若金属杆上滑过程中通过电阻R的电量q=0.5C,求:(1)金属杆的初速度大小;(2)金属杆上滑过程中电阻R上产生的焦耳热Q;(3)若将金属导轨之间的电阻R改为接一电容为C的电容器,如图乙所示,现用外力使金属杆(仍平行于ce且垂直于导轨)以沿金属导轨匀速上升,撤去外力发现,杆沿金属导轨匀减速上升,请证明撤去外力后,金属杆做匀减速直线运动的加速度大小为。【答案】(1)(2)Q=2.2J
14、(3)见解析【解析】(1)根据牛顿第二定律解得(3)减速过程电容放电形成电流: 由解得5如图所示,电阻不计的光滑平行金属导轨MN和OP水平放置,MO间接有阻值为R的电阻,两导轨相距为L,其间有竖直向下的匀强磁场。质量为m、长度为L、电阻为的导体棒CD垂直于导轨放置,并接触良好。在CD的中点处用大小为F平行于MN向右的水平恒力拉CD从静止开始运动s的位移,导体棒CD的速度恰好达到最大速度。(1)试判断通过电阻R的电流方向;(2)求磁场磁感应强度B的大小;(3)求此过程中电阻R上所产生的热量。【答案】(1)方向为MO (2) (3)【解析】(1)电阻R的电流方向为MO;(3)设产生的总热量为Q,由功能关系有:FsQ+mvm2由电路知R、R0所产生的热量关系为:QRQ联立求得电阻R上产生的热量为:6如图甲所示,足够长、电阻不计的光滑平行金属导轨,竖直放置,其宽度,一匀强磁场垂直穿过导轨平面,导轨的上端与之间连接阻值为的电阻,质量为、电阻为的金属棒紧贴在导轨上。现使金属棒由静止开始下滑,下滑过程中始终保持水平,且与导轨接触良好,其下滑距离与时间的关系如图乙所示,图象中的段为曲线,段为直线,导轨电阻不计,(忽略棒运动过程中对原