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2025年高考一轮复习
第55讲 电磁感应中的动力学和能量问题
01
考情分析
目标导航
目录contents
02
知识导图
思维引航
03
考点探究
考法突破
04
真题练习
命题洞见
01
考情分析
目标导航
考
情
分
析
考情分析
考情分析
目标要求
2024·贵州·高考物理第5题
2024·山东·高考物理第4题
2024·辽宁·高考物理第8题
2024·北京 ·高考物理第11题
2024·河北高考物理第14题
2024·全国 ·甲卷物理第25题
2024·安徽.高考物理第14题
目标1.学会用动力学知识分析导体棒在磁场中的运动问题。
目标2.会用功能关系和能量守恒定律分析电磁感应中的能量转化。
02
知识导图
思维引航
思维导航
知识导图
电学对象
内电路
外电路
力学对象
找出产生电磁感应的那部分导体
E=BLv
“源”的分析
“路”的分析
“力”的分析
“运动”分析
并联
串联
I
V
03
考点探究
考法突破
考
航
导
点
电磁感应中的动力学问题
考点1
考点2
电磁感应中的能量问题
知识固本
考点一.电磁感应中的动力学问题
知识点1．两种状态及处理方法
知识点2．电磁感应中的动力学临界问题的分析思路
状态 特征 处理方法
平衡态 加速度为零 根据平衡条件列式分析
非平衡态 加速度不为零 根据牛顿第二定律结合运动学公式进行分析
(1)解决这类问题的关键是通过受力情况和运动状态的分析，寻找过程中的临界状态，如速度、加速度为
最大值或最小值的条件。
(2)基本思路是：导体受外力运动 感应电动势 感应电流 导体受安培
力合外力变化加速度变化速度变化临界状态列式求解。
考点一.电磁感应中的动力学问题
考向洞察
考向1　水平面内的动力学问题
1.(多选)如图所示，两根足够长的光滑平行金属导轨固定放置在足够高的水平台面上，导轨间距。质量为
、电阻为的直导体棒放在导轨上，且始终与导轨垂直，导体棒通过一根轻质细绳绕过定滑轮与一质
量也为的重物相连。导轨左端与阻值为的电阻相连，导轨电阻不计，整个装置放在竖直向上的匀强
磁场中，磁感应强度为。在时刻，由静止释放导体棒和重物，直导体棒由静止开始向右做直线运动
(轻质细绳始终与导轨共面且平行取。下列说法中正确的是( )
AC
A.重物向下做加速度减小的加速运动，最终做匀速直线运动
B.当导体棒速度时，导体棒加速度
C.导体棒最终做匀速直线运动的速度为
D.导体棒最终做匀速直线运动的速度为
整体受力分析有
根据闭合电路欧姆定律有，可知随着速度的增大，重物的加速度减小
考点一.电磁感应中的动力学问题
考向洞察
考向2 竖直平面内的动力学问题
2.如图所示，高度足够的匀强磁场区域下边界水平、左右边界竖直，磁场方向垂直于纸面向里。正方形单匝线框
的边长、回路电阻、质量。线框平面与磁场方向垂直，线框的边与磁场左边界
平齐，边与磁场下边界的距离也为L。现对线框施加与水平向右方向成角、大小为4 N 的恒力F，使其在
图示竖直平面内由静止开始运动。从边进入磁场开始，在竖直方向线框做匀速运动；边进入磁场时，边恰好到
达磁场右边界。重力加速度大小取，求：
(1)边进入磁场前，线框在水平方向和竖直方向的加速度大小；
边进入磁场前，对线框进行受力分析：
在水平方向有
在竖直方向有-
代入数据有
。
考点一.电磁感应中的动力学问题
考向洞察
(2)磁场的磁感应强度大小和线框进入磁场的整个过程中回路产生的焦耳热；
根据题意分析边受到的安培力竖直向下，边受到的安培力水平向右，边受到的安培力水平向左，则边和边
受到的安培力相互抵消，故线框受到的安培力的合力等于边受到的竖直向下的安培力。
从边进入磁场开始，在竖直方向线框做匀速运动，有：
--，
联立有：
由题知，边进入磁场时，边恰好到达磁场右边界。则线框进入磁场的整个过程中，线框受到的安培力为恒力，
则有： -
联立解得：
考点一.电磁感应中的动力学问题
考向洞察
(3)磁场区域的水平宽度。
线框从开始运动到进入磁场的整个过程中所用的时间为：
联立解得：
由(2)分析可知线框在水平方向一直做匀加速直线运动，则在水平方向有：
则磁场区域的水平宽度：
考点一.电磁感应中的动力学问题
考向洞察
考向1　水平面内的动力学问题
3.(多选)由相同材料的导线绕成边长相同的甲、乙两个正方形闭合线圈，两线圈的质量相等，但所用导线的横截面
积不同，甲线圈的匝数是乙的2倍。现两线圈在竖直平面内从同一高度同时由静止开始下落，一段时间后进入一方
向垂直于纸面的匀强磁场区域，磁场的上边界水平，如图所示。不计空气阻力，已知下落过程中线圈始终平行于纸
面，上、下边保持水平。在线圈下边进入磁场后且上边进入磁场前，可能出现的是( )
AB
A.甲和乙都加速运动 B.甲和乙都减速运动
C.甲加速运动，乙减速运动 D.甲减速运动，乙加速运动
两线圈到达磁场上边界时两线圈的速度相同，设乙线圈的匝数为，两线圈的边长均为，两线圈进入磁场后，
乙受到的安培力，甲受到的安培力，可见，甲、乙运动情况相同
考点一.电磁感应中的动力学问题
考向洞察
考向3.斜面上的动力学问题
4.如图甲所示，两根足够长的直金属导轨MN、PQ平行放置在倾角为的绝缘斜面上，两导轨间距为L，M、P两点间
接有阻值为R的电阻，一根质量为的均匀直金属杆放在两导轨上，并与导轨垂直。整套装置处于磁感应强度为B
的匀强磁场中，磁场方向垂直于斜面向下。导轨和杆的电阻可忽略，让杆沿导轨由静止开始下滑，导轨和杆
接触良好，不计它们之间的摩擦。(重力加速度为
(1)由向方向看到的装置如图乙所示，请在此图中画出杆下滑过程中
某时刻的受力示意图；
由右手定则可知，杆中电流方向为。如图所示
考点一.电磁感应中的动力学问题
考向洞察
考向3.斜面上的动力学问题
(2)在加速下滑过程中，当杆的速度大小为时，求杆中的电流及其加速度的大小；
当杆的速度大小为时，感应电动势，
此时电路中的电流，
杆受到安培力，
根据牛顿第二定律，有
--，
解得-。
(3)求在下滑过程中，杆可以达到的速度最大值。
当时，杆有最大速度，
由平衡条件得，
解得。
考点一.电磁感应中的动力学问题
考向洞察
考向3.斜面上的动力学问题
5.(多选)如图所示，U形光滑金属导轨与水平面成角倾斜放置，现将一金属杆垂直放置在导轨上且与两导轨接触良
好，在与金属杆垂直且沿着导轨向上的外力F的作用下，金属杆从静止开始做匀加速直线运动。整个装置处于垂直于
导轨平面向上的匀强磁场中，外力F的最小值为8 N，经过金属杆运动到导轨最上端并离开导轨。已知U形金属导轨
两轨道之间的距离为，导轨电阻可忽略不计，金属杆的质量为、电阻为，磁感应强度大小为1 T，重力加速
度取。下列说法正确的是( )
BCD
A.拉力F是恒力 B.拉力F随时间均匀增加
C.拉力F的最大值等于12 N D.金属杆运动的加速度大小为
知识固本
考点二.电磁感应中的能量问题
知识点1.电磁感应中的能量转化
知识点2.求解焦耳热Q的三种方法
焦耳热Q的三种求法
焦耳定律：都不变时适用
功能关系：
能量转化：
考点二.电磁感应中的能量问题
考向洞察
1. 有人设计了一种可测速的跑步机，测速原理如图所示，该机底面固定有间距为L、长度为的平行金属电极。电极
间充满磁感应强度为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场，且接有电压表和阻值为R的电阻。绝缘橡胶带上镀有间距为
的平行细金属条，金属条电阻为，磁场中始终仅有一根金属条，且与电极接触良好，不计金属电极和其余导线
的电阻，若橡胶带匀速运动，电压表读数为U，求：
(1)橡胶带匀速运动的速率；
设橡胶带匀速运动的速率为，根据法拉第电磁感应定律可知，
其带动金属条运动产生的感应电动势：
根据闭合电路的欧姆定律，可知电压表示数E
联立解得
考点二.电磁感应中的能量问题
考向洞察
(2)一根金属条经过磁场区域安培力做的功；
由题意可知，流过金属棒的电流为：
则安培力的大小为：
则一根金属条经过磁场区域安培力做的功
(3)若从某根金属条刚进入磁场区域开始计时，一段时间R上产生热量，经历的时间为多少。
由焦耳定律得，一段时间内R上产生热量
已知
解得
考点二.电磁感应中的能量问题
考向洞察
2.如图甲所示，光滑的金属导轨MN和PQ平行，间距，与水平面之间的夹角，匀强磁场磁感应强度
，方向垂直于导轨平面向上，MP间接有阻值的电阻，质量、电阻 的金属棒垂直导轨
放置，现用和导轨平行的恒力F沿导轨平面向上拉金属杆，使其由静止开始运动，当金属棒上滑的位移时达到
稳定状态，对应过程的图像如图乙所示，(稳定状态时金属棒以 的速度匀速运动)取，导轨足够长
。求：
(1)运动过程中哪端电势高，并计算恒力F的大小；
由右手定则可判断感应电流由流向相当于电源的正极
故端电势高
当金属棒匀速运动时，由平衡条件得
其中
由乙图可知
联立解得
考点二.电磁感应中的能量问题
考向洞察
(2)从金属杆开始运动到刚达到稳定状态，此过程金属棒上产生的焦耳热。
从金属棒开始运动到稳定状态，由功能关系可得：-
两电阻产生的焦耳热与阻值成正比，故金属棒上产生的焦耳热为：Q
联立解得：
考点二.电磁感应中的能量问题
考向洞察
3.(多选)如图甲所示，左侧接有定值电阻的水平粗糙导轨处于垂直纸面向外的匀强磁场中，磁感应强度，导
轨间距。一质量，阻值的金属棒在水平拉力F作用下由静止开始从CD处沿导轨向右加速运动，金属
棒的图像如图乙所示，若金属棒与导轨间动摩擦因数，则从起点发生位移的过程中
)
A.金属棒克服安培力做的功
B.金属棒克服摩擦力做的功
C.整个系统产生的总热量
D.拉力做的功
AC
安培力做功为
金属棒克服摩擦力做的功为
克服安培力做功等于产生的电热，克服摩擦力做功等于产生的摩擦热
根据动能定理得
考点二.电磁感应中的能量问题
考向洞察
4.如图甲所示，地面上方高度为的空间内有水平方向的匀强磁场，质量为的正方形闭合导线框的边长为，
从边距离地面高为处将其由静止释放，已知。从导线框开始运动到边即将落地的过程中，导线框的
图像如图乙所示。重力加速度为，不计空气阻力，以下有关这一过程的判断正确的是( )
D
A.时间内导线框受到的安培力逐渐增大 B. 磁场的高度可以用图中阴影部分的面积表示
C.导线框重力势能的减少量等于其动能的增加量 D. 导线框产生的焦耳热大于
在 时间内，导线框自由落体，时间内导线框切割磁感线进入磁场，做加速度减小的减速运动
电流减小，则安培力在减小
磁场高度时间内的位移
重力势能减少量等于动能增加量和安培力做功的和
，克服安培力做的功大于重力做功
04
真题练习
命题洞见
真题练习·命题洞见
1.贵州·高考真题)如图，间距为L的两根金属导轨平行放置并固定在绝缘水平桌面上，左端接有一定值电阻R，导
轨所在平面存在磁感应强度大小为B、方向竖直向下的匀强磁场。质量为的金属棒置于导轨上，在水平拉力作用下从
静止开始做匀加速直线运动，一段时间后撤去水平拉力，金属棒最终停在导轨上。已知金属棒在运动过程中，最大速度
为，加速阶段的位移与减速阶段的位移相等，金属棒始终与导轨垂直且接触良好，不计摩擦及金属棒与导轨的电阻，
则( )
加速过程中通过金属棒的电荷量等于减速过程中通过金属棒的电荷量，则减速过程由动量定理可得：
A.加速过程中通过金属棒的电荷量为 B.金属棒加速的时间为
C.加速过程中拉力的最大值为 D.加速过程中拉力做的功为
由：
和位移公式：
加速过程中拉力逐渐增大，当撤去拉力的瞬间，拉力最大
加速过程中拉力对金属棒做正功，安培力对金属棒做负功，由动能定理可知：
AB
真题练习·命题洞见
2.山东·高考真题)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MN平行放置在导轨图示位置，由静止
释放。MN 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( )
ABD
A.MN最终一定静止于位置
B.MN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，MN的速率一直在增大
D.从释放到第一次到达位置过程中，MN中电流方向由M到N
回路有感应电流，产生焦耳热，金属棒MN的机械能不断减小，且金属导轨光滑
当金属棒MN向右运动，根据右手定则可知，MN中电流方向由M到N：当金属棒MN向左运动，根据右手定则可知，MN中电流方向由N到M。
在位置重力沿切线方向的分力为0，可知在到达位置之前的位置，重力沿切线方向的分力已经小于安培力沿切线方向的分力
真题练习·命题洞见
3.全国·高考真题)如图，一绝缘细绳跨过两个在同一竖直面(纸面)内的光滑定滑轮，绳的一端连接一矩形金
属线框，另一端连接一物块。线框与左侧滑轮之间的虚线区域内有方向垂直纸面的匀强磁场，磁场上下边界水平，
在时刻线框的上边框以不同的初速度从磁场下方进入磁场。运动过程中，线框始终在纸面内且上下
边框保持水平。以向上为速度的正方向，下列线框的速度随时间变化的图像中可能正确的是( )
AC
A. B. C. D.
若线圈进入磁场时的速度较小，则线圈进入磁场时做加速度减小的减速运动，线圈的速度和加速度都趋近于零
因时刻线圈就进入磁场，则进入磁场时线圈向上不可能做匀减速运动
若线圈的质量等于物块的质量，且当线圈进入磁场时，且速度大于，线圈进入磁场做加速度减小的减速运动，
完全进入磁场后线圈做匀速运动；当线圈出离磁场时，受向下的安培力又做加速度减小的减速运动，最终出离磁场时做匀速运动
真题练习·命题洞见
4.辽宁·高考真题)如图，两条“”形的光滑平行金属导轨固定在绝缘水平面上，间距为L，左、右两导轨面与
水平面夹角均为，均处于竖直向上的匀强磁场中，磁感应强度大小分别为2B和B。将有一定阻值的导体棒
放置在导轨上，同时由静止释放，两棒在下滑过程中始终与导轨垂直并接触良好，的质量分别为
和，长度均为L。导轨足够长且电阻不计，重力加速度为，两棒在下滑过程中( )
AB
A.回路中的电流方向为 B.中电流趋于
C.与加速度大小之比始终为 D.两棒产生的电动势始终相等
两导体棒沿轨道向下滑动，根据右手定则可知回路中的电流方向
分析可知两个导体棒产生的电动势相互叠加，随着导体棒速度的增大，回路中的电流增大，导体棒受到的安培力在增大，故可知当安培力沿导轨方向的分力与重力沿导轨向下的分力平衡时导体棒将匀速运动，此时电路中的电流达到稳定值
真题练习·命题洞见
5.北京·高考真题)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、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；
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)求闭合开关瞬间导体棒的加速度大小；
开关闭合瞬间由牛顿第二定律有：
将电流I代入解得：
(3)在图乙中定性画出闭合开关后导体棒的速度随时间的变化图线。
真题练习·命题洞见
6.河北·高考真题)如图，边长为2L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。足够长的细导体棒在水平面内绕O点以角速度匀速转动，
水平放置在导轨上的导体棒始终静止。棒在转动过程中，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。
(1)求CD棒所受安培力的最大值和最小值。
当OA运动到正方形细框对角线瞬间，切割的有效长度最大，此时感应电流最大，CD棒所受的安培力最大;当OA运动到与细框一边平行时瞬间，切割的有效长度最短，感应电流最小，CD棒受到的安培力最小
根据闭合电路欧姆定律得:
根据法拉第电磁感应定律得: ,
故CD棒所受的安培力最大为: ,
真题练习·命题洞见
(2)锁定OA棒，推动CD棒，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。
当CD棒受到的安培力最小时根据平衡条件得：
当CD棒受到的安培力最大时根据平衡条件得：
联立解得：
撤去推力瞬间，根据牛顿第二定律得：
解得：
真题练习·命题洞见
7.全国·高考真题)如图，金属导轨平行且水平放置，导轨间距为L，导轨光滑无摩擦。定值电阻大小为R，其
余电阻忽略不计，电容大小为C。在运动过程中，金属棒始终与导轨保持垂直。整个装置处于竖直方向且磁感应强
度为B的匀强磁场中。
(1)开关S闭合时，对金属棒施加以水平向右的恒力，金属棒能达到的最大速度为。当外力功率为定值电阻功率的
两倍时，求金属棒速度的大小。
开关S闭合后，当外力与安培力相等时，金属棒的速度最大，则:
由闭合电路欧姆定律:
金属棒切割磁感线产生的感应电动势为:
联立可得，恒定的外力为:
在加速阶段，外力的功率为：
定值电阻的功率为：
若
化简可得金属棒速度v的大小为：
真题练习·命题洞见
(2)当金属棒速度为时，断开开关S，改变水平外力并使金属棒匀速运动。当外力功率为定值电阻功率的两倍时，
求电容器两端的电压以及从开关断开到此刻外力所做的功。
断开开关S，电容器充电，则电容器与定值电阻串联，则有:
当金属棒匀速运动时，电容器不断充电，电荷量q不断增大，电路中电流不断减小，则金属棒所受安培力不断减小，
而拉力的功率: 定值电阻功率:
当时有：
可得：
根据：
可得此时电容器两端电压为：
从开关断开到此刻外力所做的功为：
其中：
联立可得：
真题练习·命题洞见
8.安徽·高考真题)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 的金属棒垂直于导
轨，并静置于绝缘固定支架上。边长为L的正方形区域内，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，下方导轨的总电阻为R。时，对施加竖直向上的拉力，恰使其向
上做加速度大小为的匀加速直线运动，整个运动过程中与两边导轨接触良好。已知与导轨间动摩擦因数为，重
力加速度大小为。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变化的关系式，以及感应电动势的大小，
并写出中电流的方向；
通过面积的磁通量大小随时间变化的关系式为：
根据法拉第电磁感应定律得：
由楞次定律可知中的电流从流向。
真题练习·命题洞见
(2)求所受安培力的大小随时间变化的关系式；
(3)求经过多长时间，对所施加的拉力达到最大值，并求此最大值。
根据左手定则可知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，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：
联立得所受安培力的大小随时间变化的关系式为：
由题知时，对施加竖直向上的拉力，恰使其向上做加速度大小为的匀加速直线运动，则对受力分析
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：
本课时结束 下节课见！
THANK YOU

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