2021届高考物理（全国通用）精练 第十章 电磁感应 Word版含答案

这是一份2021届高考物理（全国通用）精练 第十章 电磁感应 Word版含答案，共14页。

1．本试卷分第Ⅰ卷(选择题)和第Ⅱ卷(非选择题)两部分，共4页．
2．答卷前，考生务必用蓝、黑色字迹的钢笔或圆珠笔将自己的姓名、班级、学号填写在相应位置上．
3．本次考试时间90分钟，满分100分．
4．请在密封线内作答，保持试卷清洁完整．
第Ⅰ卷(选择题，共48分)
一、选择题(本题共12小题，每小题4分，共48分．在每小题给出的四个选项中，第1～7题只有一个选项正确，第8～12题有多项正确，全部选对的得4分，选对但不全的得2分，有选错或不选的得0分)
1．以下矩形线框在磁场内做的各种运动中，能够产生感应电流的是( )
2．如图1所示，一个闭合三角形导线框ABC位于竖直平面内，其下方(略靠前)固定一根与线框平面平行的水平直导线，导线中通以图示方向的恒定电流．释放线框，它由实线位置下落到虚线位置未发生转动，在此过程中( )
图1
A．线框中感应电流方向依次为顺时针→逆时针
B．线框的磁通量为零时，感应电流却不为零
C．线框所受安培力的合力方向依次为向上→向下→向上
D．线框所受安培力的合力为零，做自由落体运动
3．如图2所示，ef、gh为两水平放置相互平行的金属导轨，ab、cd为搁在导轨上的两金属棒，与导轨接触良好且无摩擦．当一条形磁铁向下靠近导轨时，关于两金属棒的运动情况的描述正确的是( )
图2
A．不管下端是何极性，两棒均向外相互远离
B．不管下端是何极性，两棒均相互靠近
C．如果下端是N极，两棒向外运动，如果下端是S极，两极相向靠近
D．如果下端是S极，两棒向外运动，如果下端是N极，两棒相向靠近
4．如图3，水平桌面上固定有一半径为R的金属细圆环，环面水平，圆环每单位长度的电阻为r；空间有一匀强磁场，磁感应强度大小为B，方向竖直向下；一长度为2R、电阻可忽略的导体棒置于圆环左侧并与环相切，切点为棒的中点．棒在拉力的作用下以恒定加速a从静止开始向右运动，运动过程中棒与圆环接触良好．下列说法正确的是( )
图3
A．拉力的大小在运动过程中保持不变
B．棒通过整个圆环所用的时间为eq \r(\f(2R,a))
C．棒经过环心时流过棒的电流为eq \f(B\r(2aR),πr)
D．棒经过环心时所受安培力的大小为eq \f(8B2R\r(2aR),πr)
图4
5．在如图4所示的电路中，a、b为两个完全相同的灯泡，L为自感系数较大而电阻不能忽略的线圈，E为电源，S为开关．下列关于两灯泡点亮和熄灭的说法正确的是( )
A．合上开关，b先亮，a后亮；稳定后b比a更亮一些
B．合上开关，a先亮，b后亮；稳定后a、b一样亮
C．断开开关，a逐渐熄灭、b先变得更亮后再与a同时熄灭
D．断开开关，b逐渐熄灭、a先变得更亮后再与b同时熄灭
6．如图5所示，光滑导电圆环轨道竖直固定在匀强磁场中，磁场方向与轨道所在平面垂直，导体棒ab的两端可始终不离开轨道无摩擦地滑动，在ab由图示位置释放，直到滑到右侧虚线位置的过程中，关于ab棒中的感应电流情况，正确的是( )
图5
A．先有从a到b的电流，后有从b到a的电流
B．先有从b到a的电流，后有从a到b的电流
C．始终有从b到a的电流
D．始终没有电流产生
7.如图6所示，一导体圆环位于纸面内，O为圆心．环内两个圆心角为90°的扇形区域内分别有匀强磁场，两磁场磁感应强度的大小相等，方向相反且均与纸面垂直．导体杆OM可绕O转动，M端通过滑动触点与圆环良好接触．在圆心和圆环间连有电阻R.杆OM以匀角速度ω逆时针转动，t＝0时恰好在图示位置．规定从a到b流经电阻R的电流方向为正，圆环和导体杆的电阻忽略不计，则杆从t＝0开始转动一周的过程中，电流随ωt变化的图象是( )
图6
8．两根足够长的平行光滑导轨竖直固定放置，顶端接一电阻R，导轨所在平面与匀强磁场垂直．将一金属棒与下端固定的轻弹簧的上端拴接，金属棒和导轨接触良好，重力加速度为g，如图7所示．现将金属棒从弹簧原长位置由静止释放，则( )
图7
A．金属棒在最低点的加速度小于g
B．回路中产生的总热量等于金属棒重力势能的减小量
C．当弹簧弹力等于金属棒的重力时，金属棒下落速度最大
D．金属棒在以后运动过程中的最大高度一定低于静止释放时的高度
9．如图8所示，一个水平放置的“∠”形光滑导轨固定在磁感应强度为B的匀强磁场中，ab是粗细、材料与导轨完全相同的足够长的导体棒，导体棒与导轨接触良好．在外力作用下，导体棒以恒定速度v向右平动，以导体棒在图中所示位置的时刻为计时起点，则回路中感应电动势E、感应电流I、导体棒所受外力的功率P和回路中产生的焦耳热Q随时间t变化的图象中正确的是( )
图8
10．如图9所示，水平放置的光滑平行金属导轨，左端通过开关S与内阻不计、电动势为E的电源相连，右端与半径为L＝20cm的光滑圆弧导轨相接．导轨宽度为20cm，电阻不计．导轨所在空间有竖直方向的匀强磁场，磁感应强度B＝0.5T．一根垂直导轨放置的质量m＝60g、电阻R＝1Ω、长为L的导体棒ab，用长也为20cm的绝缘细线悬挂，导体棒恰好与导轨接触．当闭合开关S后，导体棒沿圆弧摆动，摆动过程中导体棒始终与导轨接触良好且细线处于张紧状态．当导体棒ab速度最大时，细线与竖直方向的夹角θ＝53°(sin53°＝0.8，g＝10m/s2)，则( )
图9
A．磁场方向一定竖直向上
B．电源的电动势E＝8.0V
C．导体棒在摆动过程中所受安培力F＝8N
D．导体棒摆动过程中的最大动能为0.08J
11．如图10所示，竖直光滑导轨上端接入一定值电阻R，C1和C2是半径都为a的两圆形磁场区域，其区域内的磁场方向都垂直于导轨平面向外，区域C1中磁场的磁感应强度随时间按B1＝b＋kt(k＞0)变化，C2中磁场的磁感应强度恒为B2，一质量为m、电阻为r、长度为L的金属杆AB穿过区域C2的圆心垂直地跨放在两导轨上，且与导轨接触良好，并恰能保持静止．则( )
图10
A．通过金属杆的电流大小为eq \f(mg,B2L)
B．通过金属杆的电流方向为从B到A
C．定值电阻的阻值为R＝eq \f(2πkB2a3,mg)－r
D．整个电路的热功率P＝eq \f(πkamg,2B2)
12．如图11甲所示，电阻不计且间距L＝1m的光滑平行金属导轨竖直放置，上端接一阻值R＝2Ω的电阻，虚线OO′下方有垂直于导轨平面向里的匀强磁场，现将质量m＝0.1kg、电阻不计的金属杆ab从OO′上方某处由静止释放，金属杆在下落的过程中与导轨保持良好接触且始终水平，已知杆ab进入磁场时的速度v0＝1m/s，下落0.3 m的过程中加速度a与下落距离h的关系图象如图乙所示，g取10 m/s2，则( )
图11
A．匀强磁场的磁感应强度为2T
B．杆ab下落0.3m时金属杆的速度为1m/s
C．杆ab下落0.3m的过程中R上产生的热量为0.2J
D．杆ab下落0.3m的过程中通过R的电荷量为0.25C
第Ⅱ卷(非选择题，共52分)
二、非选择题(共52分)
13．(6分)如图12所示，将一条形磁铁从螺线管拔出的过程中，穿过螺线管的磁通量变化情况是__________，螺线管中产生的感应电流的磁感线方向是________(俯视图)，条形磁铁受到螺线管的作用力方向是__________，螺线管受到条形磁铁的作用力方向是____________．
图12
14．(6分)如图13所示，正方形线框abcd的边长为l，向右通过宽为L的匀强磁场，且l＜L，则在线框进入过程中穿过线框的磁通量变化情况是________，感应电流的磁场对磁通量变化起__________作用，线框中感应电流方向是______；在线框移出磁场的过程中穿过线框的磁通量变化情况是________，感应电流的磁场对磁通量变化起________作用，线框中感应电流方向是__________．
图13
15．(8分)如图14甲所示，光滑导轨宽0.4m，ab为金属棒，均匀变化的磁场垂直穿过轨道平面，磁场的变化情况如图乙所示，金属棒ab的电阻为1Ω，导轨电阻不计．t＝0时刻，ab棒从导轨最左端，以v＝1m/s的速度向右匀速运动，求1s末回路中的感应电流及金属棒ab受到的安培力．
图14
16．(8分)如图15甲所示，水平面上的两光滑金属导轨平行固定放置，间距d＝0.5m，电阻不计，左端通过导线与阻值R＝2Ω的电阻连接，右端通过导线与阻值RL＝4Ω的小灯泡L连接．在CDFE矩形区域内有竖直向上的匀强磁场，CE长l＝2m，有一阻值r＝2Ω的金属棒PQ放置在靠近磁场边界CD处(恰好不在磁场中)．CDFE区域内磁场的磁感应强度B随时间变化图象如图乙所示．在t＝0至t＝4s内，金属棒PQ保持静止，在t＝4s时使金属棒PQ以某一速度进入磁场区域并保持匀速运动．已知从t＝0开始到金属棒运动到磁场边界EF处的整个过程中，小灯泡的亮度没有发生变化．求：
图15
(1)通过小灯泡的电流；
(2)金属棒PQ在磁场区域中运动的速度大小．
17.(12分)如图16所示，电阻不计的“∠”形足够长且平行的导轨，间距L＝1m，导轨倾斜部分的倾角θ＝53°，并与定值电阻R相连，整个空间存在着B＝5T、方向垂直倾斜导轨平面向上的匀强磁场．金属棒ab、cd的阻值Rab＝Rcd＝R，cd棒质量m＝1kg，ab棒光滑，cd与导轨间动摩擦因数μ＝0.3，设最大静摩擦力等于滑动摩擦力，g取10m/s2，sin53°＝0.8，cs53°＝0.6，求：
图16
(1)ab棒由静止释放，当滑至某一位置时，cd棒恰好开始滑动，求这一时刻ab棒中的电流；
(2)若ab棒无论从多高的位置释放，cd棒都不动，分析ab棒质量应满足的条件；
(3)若cd棒与导轨间的动摩擦因数μ≠0.3，ab棒无论质量多大、从多高的位置释放，cd棒始终不动，求cd棒与导轨间的动摩擦因数μ应满足的条件．
18．(12分)如图17所示，倾角θ＝30°的光滑倾斜导体轨道(足够长)与光滑水平导体轨道连接．轨道宽度均为L＝1m，电阻忽略不计．匀强磁场Ⅰ仅分布在水平轨道平面所在区域，方向水平向右，大小B1＝1T；匀强磁场Ⅱ仅分布在倾斜轨道平面所在区域，方面垂直于倾斜轨道平面向下，大小B2＝1T．现将两质量均为m＝0.2kg，电阻均为R＝0.5Ω的相同导体棒ab和cd，垂直于轨道分别置于水平轨道上和倾斜轨道上，并同时由静止释放．取g＝10m/s2，
图17
(1)求导体棒cd沿斜轨道下滑的最大速度的大小；
(2)若已知从开始运动到cd棒达到最大速度的过程中，ab棒产生的焦耳热Q＝0.45J，求该过程中通过cd棒横截面的电荷量；
(3)若已知cd棒开始运动时距水平轨道高度h＝10m，cd棒由静止释放后，为使cd棒中无感应电流，可让磁场Ⅱ的磁感应强度随时间变化，将cd棒开始运动的时间记为t＝0，此时磁场Ⅱ的磁感应强度为B0＝1T，试求cd棒在倾斜轨道上下滑的这段时间内，磁场Ⅱ的磁感应强度B随时间t变化的关系式．
答案精析
1．B
2．B
3．B
4．D
5．A
6．D
7．C
8．AD
9．AC
10．BD
11．BCD
12．AD
13．减小 逆时针 竖直向下 竖直向上
14．增大 阻碍 逆时针(abcda) 减小 阻碍 顺时针(adcba)
15．1.6A 1.28N，方向向左
解析 Φ的变化有两个原因，一是B的变化，二是面积S的变化，显然这两个因素都应当考虑在内，所以有
E＝eq \f(ΔΦ,Δt)＝eq \f(ΔB,Δt)S＋Blv
又eq \f(ΔB,Δt)＝2T/s.
在1s末，B＝2T，S＝lvt＝0.4×1×1m2＝0.4m2
所以1s末，E＝eq \f(ΔB,Δt)S＋Blv＝1.6V，
此时回路中的电流
I＝eq \f(E,R)＝1.6A
根据楞次定律与右手定则可判断出电流方向为逆时针方向
金属棒ab受到的安培力为F＝BIl＝2×1.6×0.4N＝1.28N，方向向左．
16．(1)0.1A (2)1m/s
解析 (1)在t＝0至t＝4s内，金属棒PQ保持静止，磁场变化导致电路中产生感应电动势．电路为r与R并联，再与RL串联，电路的总电阻
R总＝RL＋eq \f(Rr,R＋r)＝5Ω
此时感应电动势
E＝eq \f(ΔΦ,Δt)＝dleq \f(ΔB,Δt)＝0.5×2×0.5V＝0.5V
通过小灯泡的电流为：
I＝eq \f(E,R总)＝0.1A.
(2)当棒在磁场区域中运动时，由导体棒切割磁感线产生电动势，电路为R与RL并联，再与r串联，此时电路的总电阻R总′＝r＋eq \f(RRL,R＋RL)＝(2＋eq \f(4×2,4＋2))Ω＝eq \f(10,3)Ω
由于灯泡中电流不变，所以灯泡的电流IL＝I＝0.1A，则流过金属棒的电流为
I′＝IL＋IR＝IL＋eq \f(RLIL,R)＝0.3A
电动势E′＝I′R总′＝Bdv
解得棒PQ在磁场区域中运动的速度大小v＝1m/s.
17．(1)3.34A (2)mab≤2.08kg (3)μ≥0.75
解析 (1)ab棒沿导轨滑下切割磁感线产生的感应电流的方向是b→a，通过cd棒的电流方向是c→d，cd棒刚要开始滑动时，其受力分析如图所示．
由平衡条件得：BIcdLcs53°＝Ff，
由摩擦力公式得：Ff＝μFN，
FN＝mg＋BIcdLsin53°，
联立以上三式，得Icd≈1.67A，
Iab＝2Icd＝3.34A.
(2)ab棒沿足够长的导轨下滑时，最大安培力只能等于自身重力沿导轨方向的分力，有FA＝mabgsin53°，
cd棒所受最大安培力应为eq \f(1,2)FA，要使cd棒不能滑动，需eq \f(1,2)FAcs53°≤μ(mg＋eq \f(1,2)FAsin53°)，
由以上两式联立解得mab≤2.08kg，
(3)ab棒下滑，cd棒始终不动，有FA′cs53°≤μ(mg＋FA′sin53°)，
解得μ≥eq \f(FA′cs53°,mg＋FA′sin53°)＝eq \f(cs53°,\f(mg,FA′)＋sin53°)
当ab棒质量无限大，在无限长导轨上最终一定匀速运动，安培力FA趋于无穷大，cd棒所受安培力FA′亦趋于无穷大，有μ≥eq \f(cs53°,sin53°)＝0.75.
18．(1)1m/s (2)1C (3)B＝eq \f(8,8－t2)
解析 (1)作出cd棒的侧视平面图，cd棒加速下滑，安培力逐渐增大，加速度逐渐减小，加速度减少到零时速度增大到最大vm，此时cd棒所受合力为零，此后cd棒匀速下滑．
匀速时对cd棒受力分析，如图所示．
沿导轨方向有F2＝mgsinθ
感应电动势E＝B2Lvm
感应电流I＝eq \f(E,2R)
安培力F2＝B2IL
得最大速度vm＝eq \f(2mgRsinθ,B\\al(2,2)L2)＝1m/s.
(2)设cd棒下滑距离为x时，ab棒产生的焦耳热Q，此时回路中总焦耳热为2Q.
根据能量守恒定律，有mgxsinθ＝eq \f(1,2)mveq \\al(2,m)＋2Q
解得下滑距离x＝eq \f(\f(1,2)mv\\al(2,m)＋2Q,mgsinθ)＝1m
根据法拉第电磁感应定律，感应电动势平均值eq \x\t(E)＝eq \f(ΔΦ,Δt)＝eq \f(B2·ΔS,Δt)＝eq \f(B2Lx,Δt)，感应电流的平均值eq \x\t(I)＝eq \f(\x\t(E),2R)
通过cd棒横截面的电荷量q＝eq \x\t(I)·Δt＝eq \f(B2Lx,2R)＝1C.
(3)若回路中没有感应电流，则cd棒匀加速下滑，加速度a＝gsinθ＝5m/s2
初始状态回路中磁通量Φ0＝B0L·eq \f(h,sinθ)
一段时间t后，cd棒下滑距离Δx＝eq \f(1,2)at2
此时回路中磁通量Φ＝BL(eq \f(h,sinθ)－Δx)
回路中没有感应电流，则ΔΦ＝Φ－Φ0＝0，
即Φ＝Φ0
由上可得磁感应强度B＝eq \f(B0·\f(h,sinθ),\f(h,sinθ)－\f(1,2)at2)
代入数据得，磁感应强度B随时间t变化的关系式为
B＝eq \f(8,8－t2).