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1、高考物理相互作用提高训练含解析一、高中物理精讲专题测试相互作用1（ 18分） 如图所示，金属导轨MNC 和PQD， MN与PQ平行且间距为L，所在平面与水平面夹角为， N、 Q 连线与MN垂直，M、 P 间接有阻值为R 的电阻；光滑直导轨NC和 QD 在同一水平面内，与NQ 的夹角都为锐角。均匀金属棒ab 和ef质量均为m，长均为 L， ab棒初始位置在水平导轨上与NQ 重合；ef 棒垂直放在倾斜导轨上，与导轨间的动摩擦因数为（ 较小），由导轨上的小立柱1 和2 阻挡而静止。空间有方向竖直的匀强磁场（图中未画出）。两金属棒与导轨保持良好接触。不计所有导轨和ab棒的电阻，ef棒的阻值为 R，最大
2、静摩擦力与滑动摩擦力大小相等，忽略感应电流产生的磁场，重力加速度为 g。（1）若磁感应强度大小为B，给 ab 棒一个垂直于NQ、水平向右的速度v1，在水平导轨上沿运动方向滑行一段距离后停止，ef 棒始终静止，求此过程ef 棒上产生的热量；（2）在（ 1）问过程中， ab 棒滑行距离为d，求通过ab 棒某横截面的电荷量；（3）若 ab 棒以垂直于NQ 的速度 v2 在水平导轨上向右匀速运动，并在NQ 位置时取走小立柱 1 和 2，且运动过程中ef 棒始终静止。求此状态下最强磁场的磁感应强度及此磁场下ab 棒运动的最大距离。【答案】（1） Qef；（ 2） q；（ 3 ）Bm，方向竖直向上或竖直向
3、下均可，xm【解析】解：（ 1）设 ab 棒的初动能为Ek， ef 棒和电阻 R 在此过程产生热量分别为Q 和 Q1，有Q+Q1=Ek且 Q=Q1 由题意 Ek=得 Q=（2）设在题设的过程中，ab 棒滑行的时间为 t，扫过的导轨间的面积为 S，通过 S 的磁通量为 ， ab 棒产生的电动势为 E， ab 棒中的电流为 I，通过 ab 棒某截面的电荷量为q，则E=且 =B S电流 I=又有 I=由图所示， S=d（ L dcot ）联立 ，解得： q=（ 10）（3） ab 棒滑行距离为x 时， ab 棒在导轨间的棒长Lx 为：L =L 2xcot （ 11）x此时， ab 棒产生的电动势Ex
4、为：2 x12）E=Bv L（流过 ef 棒的电流 Ixx（ 13）为 I =ef 棒所受安培力Fx 为 Fx=BIxL （ 14）联立（ 11）（14），解得： Fx=（15）有（ 15）式可得， Fx在 x=0 和 B 为最大值m1B时有最大值 F由题意知， ab 棒所受安培力方向必水平向左，ef 棒所受安培力方向必水平向右，使F1 为最大值的受力分析如图所示，图中 fm 为最大静摩擦力，有：F1cos =mgsin （+mgcos +F1sin ） （16）联立（ 15）（ 16），得：Bm=（17）Bm 就是题目所求最强磁场的磁感应强度大小，该磁场方向可竖直向上，也可竖直向下有（ 15
5、）式可知， B 为 Bm 时， Fx 随 x 增大而减小，x 为最大 xm 时， Fx 为最小值，如图可知F2cos +（mgcos +F2sin ） =mgsin （ 18）联立（ 15）（ 17）（ 18），得xm=答：（ 1） ef 棒上产生的热量为；（2）通过 ab 棒某横截面的电量为（3）此状态下最强磁场的磁感应强度是，磁场下 ab 棒运动的最大距离是【点评】本题是对法拉第电磁感应定律的考查，解决本题的关键是分析清楚棒的受力的情况，找出磁感应强度的关系式是本题的重点2 如图所示，用三根轻绳将质量均为m 的 A、B 两小球以及水平天花板上的固定点O 之间两两连接，然后用一水平方向的力F
6、 作用于 A 球上，此时三根轻绳均处于直线状态，且OB 绳恰好处于竖直方向，两球均处于静止状态，轻绳OA 与 AB 垂直且长度之比为3:4试计算：（1） OA 绳拉力及 F 的大小？（2）保持力 F 大小方向不变，剪断绳OA，稳定后重新平衡，求此时绳OB 及绳 AB 拉力的大小和方向（绳 OB、 AB 拉力的方向用它们与竖直方向夹角的正切值表达）（3）欲使绳 OB 重新竖直，需在球B 上施加一个力，求这个力的最小值和方向【答案】 （1） 4213122524mg （2） T13mg ， tan=3； Tmg， tan =333（3）4 mg ，水平向左3【解析】【分析】【详解】（1） OB 竖
7、直，则AB 拉力为 0，小球 A 三力平衡，设OB 拉力为 T，与竖直方向夹角为,54则 T=mg/cos= mg，F=mgtan= mg33（2）剪断 OA 绳，保持 F 不变，最后稳定后，设OB 的拉力为 T ，与竖直方向夹角为1，AB 拉力为 T ，与竖直方向夹角为，以球 A、球 B 为整体，可得122T =F=mg；T =2mg；1x41y3解得 ： T1=21312mg；tan =；334mg；T2y=mg；单独研究球 A，T2x=F=3解得：T5mg， tan 2=42=33（3）对球 B 施加一个力 FB 使 OB 重新竖直，当FB 水平向左且等于力F 时是最小值，即4FB=F=
8、mg，水平向左3【点睛】本题采用整体和隔离法相结合进行分析，关键先对 B 球受力分析，得到 AB 绳子的拉力为零，然后对 A 球受力分析，根据平衡条件并运用平行四边形法则求解未知力3 如图所示，质量为M=5kg 的物体放在倾角为=30o的斜面上，与斜面间的动摩擦因数为 /5，最大静摩擦力等于滑动摩擦力，M 用平行于斜面的轻绳绕过光滑的定滑轮与不计质量的吊盘连接，两个劲度系数均为k=1000N/m 的轻弹簧和两个质量都是m 的物体均固连， M 刚好不上滑，取g=10m/s 2。问：（1） m 的质量是多大 ?（2）现将上面的 m 物体向上提，使 M 刚要开始下滑，上面的 m 物体向上提起的高度是
9、多少?（吊盘架足够高）【答案】（ 1） m=2kg；（ 2）h=0.06m【解析】【详解】（1）对 M 和 m 的系统，由平衡知识可知：（2）使 M 刚要开始下滑时，则绳的拉力为T：解得 T=10N；此时吊盘中下面弹簧的弹力应为10N，因开始时下面弹簧的弹力为解得2mg=40N，m=2kg；可知下面弹簧伸长了；对中间的物体 m 受力分析可知，上面的弹簧对之间物体应该是向上的拉力，大小为10N，即上面的弹簧应该处于拉长状态，则上面弹簧的伸长量应该是；可知上面的m 物体向上提起的高度是.【点睛】此题的难点在第2 问；关键是通过分析两部分弹簧弹力的变化（包括伸长还是压缩）求解弹簧的长度变化，从而分析
10、上面物体提升的高度.4如图所示，在匀强磁场中有一倾斜的平行金属导轨，导轨间距为L=0 2m，长为2d，d=05m ，上半段d 导轨光滑，下半段d 导轨的动摩擦因素为3，导轨平面与水平6面的夹角为=30匀强磁场的磁感应强度大小为B=5T，方向与导轨平面垂直质量为m=0 2kg 的导体棒从导轨的顶端由静止释放，在粗糙的下半段一直做匀速运动，导体棒始终与导轨垂直，接在两导轨间的电阻为R=3，导体棒的电阻为r=1 ，其他部分的电阻均不计，重力加速度取g=10m/s 2，求：（ 1）导体棒到达轨道底端时的速度大小；（ 2）导体棒进入粗糙轨道前，通过电阻R 上的电量 q；（ 3）整个运动过程中，电阻 R
11、产生的焦耳热 Q【答案】（ 1） 2m/s（ 2） 0 125C（ 3） 0 2625J【解析】试题分析：（ 1）导体棒在粗糙轨道上受力平衡：mgsin = mgcos +BILE=BLv解得： v=2m/s（2）进入粗糙导轨前：解得： q=0 125C（3）由动能定理得：考点：法拉第电磁感应定律；物体的平衡；动能定理【名师点睛】本题实质是力学的共点力平衡与电磁感应的综合，都要求正确分析受力情况，运用平衡条件列方程，关键要正确推导出安培力与速度的关系式，分析出能量是怎样转化的5 明理同学平时注意锻炼身体，力量较大，最多能提起m=50kg 的物体一重物放置在倾角 =15粗糙斜坡上，重物与斜坡间的
12、摩擦因数为的试求该同学向上拉动的重物质量M 的最大值？【答案】【解析】【详解】由题意可知，该同学的最大拉力：F=mg设该同学与斜面方向的夹角是的时候拉动的物体的最大质量是M ，对物体受力分析知：垂直于斜面的方向：FN+Fsin =Mgcos沿斜面的方向：Fcos=f+Mgsin 若恰好拉动物体，则有：f= FN联立解得：令 =tan ，代入上式可得：要使该同学向上拉动的物体的质量最大，上式分子取最大值，即：cos（ ） =1由 =tan =可得： =30联立以上各式得：Mmax =【点睛】该题中按照常规的步骤对物体进行受力分析即可，题目的难点是如何利用三角函数的关系，化简并得出正确的结论6 (
13、10 分 ) 如图所示，倾角 =30、宽 L=1m 的足够长的 U 形光滑金属导轨固定在磁感应强度大小 B=IT 、范围足够大的匀强磁场中，磁场方向垂直导轨平面向上。一根质量m=0.2kg，电阻R=l的金属棒ab垂直于导轨放置。现用一平行于导轨向上的牵引力F 作用在棒上，使棒由静止开始沿导轨向上运动，运动中ab棒始终与导轨接触良好，导轨电阻不计，重力加速度g 取l0m/s2。求：(1) 若牵引力的功率 P 恒为 56W，则 ab 棒运动的最终速度为多大 ?(2) 当 ab 棒沿导轨向上运动到某一速度时撤去牵引力，从撤去牵引力到ab 棒的速度为零，通过 ab 棒的电量 q=0.5C ，则撤去牵引
14、力后ab 棒向上滑动的距离多大?【答案】（ 1） 7 m/s；（ 2） 0.5m【解析】试题分析：（1）当以恒定功率牵引 ab 棒达到最大速度时：P=Fv， E=BLv， I=E/R ， F 安 =BILF mg sinF安0解得： v=7 m/s(2) 设撤去 F 后 ab 棒沿导轨向上运动到速度为零时滑动的距离为x，通过 ab 的电荷量，EBLxBLx， qI tttR联立解得：xqRm0.5BL考点：本题考查电磁感应7 如图所示，宽度L1m 的足够长的 U 形金属框架水平放置，框架中连接电阻R0.8，框架处在竖直向上的匀强磁场中，磁感应强度B1T，框架导轨上放一根质量为m0.2kg、电阻
15、r0.2，的金属棒ab ，棒ab 与导轨间的动摩擦因数0.5 ，现用功率恒定P6W的牵引力F使棒从静止开始沿导轨运动（ab 棒始终与导轨接触良好且垂直），当整个回路产生热量Q5.8J时刚好获得稳定速度，此过程中，通过棒的电量 q2.8C （框架电阻不计，g 取10m /s ）求：（ 1）当导体棒的速度达到 V1 1m / s 时，导体棒上 ab 两点电势的高低？导体棒 ab 两端的电压？导体棒的加速度？（ 2）导体棒稳定的速度 V2 ？（ 3）导体棒从静止到刚好获得稳定速度所用的时间？【答案】（ 1） b 点的电势高， 0.8V ， 20m / s2（2） V22m / s ；（ 3） t 1
16、.5s【解析】试题分析：（ 1）当 VV11m / s 时，根据法拉第电磁感应定律：E BLV 则EIrR根据欧姆定律： UIR0.8V ，则： F安BILpFV 。根据牛顿第二定律可以得到：FmgF安20m / s2 ，则 b 点的电势高am（2）当达到最大速度V2 时 ， 根据平衡条件：FmgF安0整理可以得到： V22m / s（3）根据功能关系：W安Q ， qBLXRrRr根据动能定理：PtW安mgx1 mV222可以得到： t1.5s考点：导体切割磁感线时的感应电动势；牛顿第二定律；电磁感应中的能量转【名师点睛】由题意，牵引力F 的功率恒定，使棒从静止开始先做加速度减小的变加速运动，
17、最后做匀速运动，达到稳定根据动能定理列式得到位移与最大速度的关系再由法拉第电磁感应定律，由电量得出棒运动的位移与电量的关系，再联立可求解稳定的速度和时间。8如图所示，一倾角为 =30的光滑足够长斜面固定在水平面上，其顶端固定一劲度系数为 k=50N/m 的轻质弹簧，弹簧的下端系一个质量为m=1kg 的小球，用一垂直于斜面的挡板A 挡住小球，此时弹簧没有发生形变，若挡板A 以加速度 a=4m/s 2 沿斜面向下匀加速运动，弹簧与斜面始终保持平行，g 取 10m/s 2求：（ 1）从开始运动到小球速度达最大时小球所发生位移的大小；（ 2）从开始运动到小球与挡板分离时所经历的时间【答案】（ 1）从开
18、始运动到小球速度达最大时小球所发生位移的大小是0.1m；（2）从开始运动到小球与挡板分离时所经历的时间是0.1s【解析】（ 1）球和挡板分离后做加速度减小的加速运动，当加速度为零时，速度最大，此时物体所受合力为零即 kxm=mgsin ，解得：（2）设球与挡板分离时位移为从开始运动到分离的过程中，s，经历的时间为t ，m受竖直向下的重力，垂直斜面向上的支持力FN，沿斜面向上的挡板支持力F1和弹簧弹力 F根据牛顿第二定律有：mgsin -F-F1=ma，F=kx随着 x的增大， F增大， F1减小，保持 a不变，当m与挡板分离时，F1减小到零，则有：mgsin -kx=ma，又 x= at2联立
19、解得： mgsin -k? at2=ma，所以经历的时间为：点睛：本题分析清楚物体运动过程，抓住物体与挡板分离时的条件：小球与挡板间的弹力为零是解题的前提与关键，应用牛顿第二定律与运动学公式可以解题。9 如图所示，一质量为m 2kg 的滑块从半径为 R 0.2m 的光滑四分之一圆弧轨道的顶端A 处由静止滑下， A 点和圆弧对应的圆心O 点等高，圆弧的底端B 与水平传送带平滑相接已知传送带匀速运行的速度为v0 4m/s ，B 点到传送带右端C 点的距离为 L 2m当滑块滑到传送带的右端C 时，其速度恰好与传送带的速度相同(g 10m/s2 )，求：(1)滑块到达底端B 时对轨道的压力；(2)滑块
20、与传送带间的动摩擦因数；(3)此过程中，由于滑块与传送带之间的摩擦而产生的热量Q.【答案】（ 1） 60 N（2 ）0 3（ 3） 4 J【解析】试题分析：（1）滑块从A 运动到 B 的过程中，由机械能守恒定律得mgR 1 mvB22解得 vB 2gR2m / s在 B 点： FN mg m v2B R代入解得， FN 60 N由牛顿第三定律可知，滑块对轨道的压力大小为FNN F 60 N，方向竖直向下。（2）滑块从 B 运动到 C 的过程中，根据牛顿第二定律得mg ma又 v02 vB2 2aL，联立以上两式解得 03（3）设滑块从 B 运动到 C 的时间为 t，加速度a g 3 m/s 2
21、。由 v0B v0 vB 2 v at，得 tas3在这段时间内传送带的位移为8s 传 v0t m3传送带与滑块的相对位移为s s 传 L 2m3故滑块与传送带之间的摩擦而产生的热量Q mgs4 J。考点：牛顿第二定律的综合应用10 如图所示，粗糙水平地面上放置一个截面为半圆的柱状物体AA与墙之间再放一光，滑圆球 B，整个装置处于静止状态。已知A、 B 两物体的质量分别为 M 和 m，光滑圆球 B同半圆的柱状物体半径均为r，已知 A 的圆心到墙角距离为 2r，重力加速度为 g。求：(1)B 物体受到墙壁的弹力大小；(2)A 与地面间的动摩擦因数满足什么条件？（设A 与地面间的最大静摩擦力等于滑
22、动摩擦力）(3)若 A 物体在水平外力作用下向右缓慢移动至B 即将落地，则A、 B 间作用力大小变化的范围。【答案】 (1) 3 mg (2)3m(3) 2 3mgN AB 2mg33(M m)3【解析】【详解】(1)对 B 受力分析：由几何关系：r1sin2r2解得：=30 o由平衡条件得：N AB cosmg0N AB sinN B0解得 B 物体受到墙壁的弹力大小为：N B mg tan3 mg3(2)对整体分析：可知地面对A 的摩擦力大小为：f 3 mg3地面对 A 的支持力为：N A(Mm)g要使 A 不滑动，则：N A( Mm) g33mg解得：3m3(Mm)(3)对 B 受力分析如图：由图可知，开始时AB 间的作用力最小，最小值为：N AB minmg2 3 mgcos30o3当 B 即将落地时， AB 间的作用力最大，由几何关系可得，AB 间的作用力与竖直方向的夹角有：r1cos22r解得：=60o此时 AB 间的作用力为：N AB maxmg2mgcos60o所以 A、 B 间作用力大小变化的范围为：2 3mg2mg 。N AB3