提升训练15 电磁感应的综合问题
1.一实验小组想要探究电磁刹车的效果。在遥控小车底面安装宽为L、长为2.5L的N匝矩形线框,线框电阻为R,面积可认为与小车底面相同,其平面与水平地面平行,小车总质量为m。其俯视图如图所示,小车在磁场外行驶时的功率保持P不变,且在进入磁场前已达到最大速度,当车头刚要进入磁场时立即撤去牵引力,完全进入磁场时速度恰好为零。已知有界磁场PQ和MN间的距离为2.5L,磁感应强度大小为B,方向竖直向上,在行驶过程中小车受到地面阻力恒为Ff。求:
(1)小车车头刚进入磁场时,线框的感应电动势E;
(2)电磁刹车过程中产生的焦耳热Q;
(3)若只改变小车功率,使小车刚出磁场边界MN时的速度恰好为零,假设小车两次与磁场作用时间相同,求小车的功率P'。
2.(2017浙江义乌高三模拟)如图所示,固定在上、下两层水平面上的平行金属导轨MN、M'N'和OP、O'P'间距都是l,二者之间固定有两组竖直半圆形轨道PQM和P'Q'M',它们是用绝缘材料制成的,两轨道间距也均为l,且PQM和P'Q'M'的竖直高度均为4R,两组半圆形轨道的半径均为R。轨道的QQ'端、MM'端的对接狭缝宽度可忽略不计,图中的虚线为绝缘材料制成的固定支架。下层金属导轨接有电源,当将一金属杆沿垂直导轨方向搭接在两导轨上时,将有电流从电源正极流出,经过导轨和金属杆流回电源负极。此时金属杆将受到导轨中电流所形成磁场的安培力作用而运动。运动过程中金属杆始终与导轨垂直,且接触良好。当金属杆由静止开始向右运动4R到达水平导轨末端PP'位置时其速度大小vP=4 。已知金属杆质量为m,两轨道间的磁场可视为匀强磁场,其磁感应强度与电流的关系为B=kI(k为已知常量),金属杆在下层导轨的运动可视为匀加速运动,运动中金属杆所受的摩擦阻力、金属杆和导轨的电阻均可忽略不计。
(1)求金属杆在下层导轨运动过程中通过它的电流大小。
(2)金属杆由PP'位置无碰撞地水平进入第一组半圆轨道PQ和P'Q',又在狭缝Q和Q'无碰撞地水平进入第二组半圆形轨道QM和Q'M'的内侧。求金属杆由PP'处到MM'处过程中动量的增量。
(3)金属杆由第二个半圆轨道的最高位置MM'处,以一定的速度在M和M'处沿对接狭缝无碰撞地水平进入上层金属导轨后,能沿着上层金属导轨滑行。设上层水平导轨足够长,其右端连接的定值电阻阻值为r,导轨处于磁感应强度为B、方向竖直向下的匀强磁场中(不计此时导轨中电流产生的磁场的影响)。求金属杆在上层水平金属导轨上滑行过程中通过导体横截面的电荷量。
3.如图所示,虚线框内为某种电磁缓冲车的结构示意图,其主要部件为缓冲滑块K和质量为m的缓冲车厢。在缓冲车的底板上,沿车的轴线固定着两个光滑水平绝缘导轨PQ、MN。缓冲车的底部,安装电磁铁(图中未画出),能产生垂直于导轨平面的匀强磁场,磁场的磁感应强度为B。导轨内的缓冲滑块K由高强度绝缘材料制成,滑块K上绕有闭合矩形线圈abcd,线圈的总电阻为R,匝数为n,ab边长为L。假设缓冲车以速度v0与障碍物C碰撞后,滑块K立即停下,此后线圈与轨道的磁场作用力使缓冲车厢减速运动,从而实现缓冲,一切摩擦阻力不计。
(1)求滑块K的线圈中最大感应电动势的大小;
(2)若缓冲车厢向前移动距离L后速度为零,则此过程线圈abcd中通过的电荷量和产生的焦耳热各是多少?
(3)若缓冲车以v0速度与障碍物C碰撞后,滑块K立即停下,求此后缓冲车厢的速度v随位移x的变化规律?
(4)若缓冲车以v0速度与障碍物C碰撞后,要使导轨右端不碰到障碍物,则缓冲车与障碍物C碰撞前,导轨右端与滑块K的cd边距离至少多大?
4.(2017浙江七彩阳光联盟高三期初)如图所示,两根足够长的光滑金属导轨G1、G2放置在倾角为α的斜面上,导轨间距为l,电阻不计。在导轨上端并接两个额定功率均为P、电阻均为R的小灯泡。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。现将一质量为m、电阻可以忽略的金属棒MN从图示位置由静止开始释放,经过时间t0,两灯泡开始并保持正常发光。金属棒下落过程中保持与导轨垂直,且与导轨接触良好。重力加速度为g。求:
(1)磁感应强度B的大小;
(2)灯泡正常发光时导体棒的运动速率v;
(3)在t=0至t=t0期间,两小灯泡产生的焦耳热。
5.(2018浙江4月选考,23)如图所示,在竖直平面内建立xOy坐标系,在0≤x≤0.65 m、y≤0.40 m范围内存在一具有理想边界、方向垂直纸面向里的匀强磁场区域。一边长l=0.10 m、质量m=0.02 kg、电阻R=0.40 Ω的匀质正方形刚性导线框abcd处于图示位置,其中心的坐标为(0,0.65 m)。现将线框以初速度v0=2.0 m/s水平向右抛出,线框在进入磁场过程中速度保持不变,然后在磁场中运动,最后从磁场右边界离开磁场区域,完成运动全过程。线框在全过程中始终处于xOy平面内,其ab边与x轴保持平行,空气阻力不计,g取10 m/s2。求:
(1)磁感应强度B的大小;
(2)线框在全过程中产生的焦耳热Q;
(3)在全过程中,cb两端的电势差Uc b与线框中心位置的x坐标的函数关系。
6.(2016浙江杭州模拟)如图甲所示,在水平面上固定有长为L=2 m、宽为d=1 m的U形金属导轨,在U形导轨右侧l=0.5 m范围内存在垂直纸面向里的匀强磁场,且磁感应强度随时间变化规律如图乙所示,在t=0时刻,质量为m=0.1 kg的导体棒以v0=1 m/s的初速度从导轨的左端开始向右运动,导体棒与导轨之间的动摩擦因数为μ=0.1,导轨与导体棒单位长度(1 m)的电阻均为λ=0.1 Ω/m,不计导体棒与导轨之间的接触电阻及地球磁场的影响(g取10 m/s2)。
(1)通过计算分析4 s内导体棒的运动情况;
(2)计算4 s内回路中电流的大小,并判断电流方向;
(3)计算4 s内回路产生的焦耳热。
7.如图所示,宽度为L的光滑平行金属导轨PQ和P'Q'倾斜放置,顶端QQ'之间连接一个阻值为R的电阻和开关S,底端PP'处通过一小段平滑圆弧与一段光滑水平轨道相连。已知水平轨道离地面的高度为h,两倾斜导轨间有一垂直于导轨平面向下的匀强磁场,磁感应强度为B;有两根长均为L、质量均为m、电阻均为R的金属棒AA'、CC'。当金属棒CC'放置在水平轨道右端时,两水平轨道间就会出现竖直方向的磁感应强度为B1的匀强磁场,此时开关S处于断开状态;而如果金属棒CC'一离开水平轨道,水平轨道间的磁场就马上消失,同时开关S马上闭合。现把金属棒CC'放在光滑水平轨道上右端,金属棒AA'离水平轨道高为H的地方以较大的初速度v0沿轨道下滑,在极短时间内金属棒CC'就向右离开水平轨道,离开水平轨道后在空中做平抛运动,落地点到抛出点通过的水平距离为x1,金属棒AA'最后也落在水平地面上,落地点到抛出点的水平距离为x2;不计导轨电阻,忽略金属棒经过PP'处的机械能损失,不计空气阻力,已知重力加速度为g,则:
(1)判断B1的方向;