Uab=0,
所以电容器两极板ab上无电压,极板间电场强度为零。 错解二:
求出电容器的电压是求电容器板间的电场强度大小的关键。由图11-7看出电容器的b板,接在CD的C端导体CD在切割磁感线产生感应电动势,C端相当于电源的正极,电容器的a接在AB的A端。导体棒AB在切割磁感线产生感应电动势,A端相当于电源的负极。导体棒AB,CD产生的电动势大小又相同,故有电容器的电压等于一根导体棒产生的感应电动势大小。 UC=BLv=4×0.5×0.l=0.2(V) 根据匀强电场场强与电势差的关系
由于b端为正极,a端为负极,所以电场强度的方向为b→a。
错解一:根据右手定则,导体棒AB产生的感应电动势方向向下,导体棒CD产生的感应电动势方向向上。这个分析是对的,但是它们对整个导体回路来说作用是相同的,都使回路产生顺时针的电流,其作用是两个电动势和内阻都相同的电池串联,所以电路中总电动势不能相减,而是应该相加,等效电路图如图11-8所示。
错解二:虽然电容器a板与导体AB的A端是等势点,电容器b板与导体CD的C端是等电势点。但是a板与b板的电势差不等于一根导体棒切割磁感线产生的电动势。a板与b板的电势差应为R′两端的电压。 【正确解答】
导体AB、CD在外力的作用下做切割磁感线运动,使回路中产生感应电流。
电容器两端电压等于R′两端电压UC=
=I
=0.2×1=0.2(V)
回路电流流向D→C→R′→A→B→D。所以,电容器b极电势高于a极电势,故电场强度方向b→a。 【小结】
从得数上看,两种计算的结果相同,但是错解二的思路是错误的,错在电路分析上。避免错误的方法是在解题之前,画出该物理过程的等效电路图,然后用电磁感应求感应电动势,用恒定电流知识求电流、电压和电场知识求场强,最终解决问题。
例9 如图11-9所示,一个U形导体框架,其宽度L=1m,框架所在平面与水平面的夹用α=30°。其电阻可忽略不计。设匀强磁场与U形框架的平面垂直。匀强磁场的磁感强度B=0.2T。今有一条形导体ab,其质量为m=0.5kg,有效电阻R=0.1Ω,跨接在U形框架上,并且能无摩擦地滑动,求: (1)由静止释放导体,导体ab下滑的最大速度vm;
(2)在最大速度vm时,在ab上释放的电功率。(g=10m/s2)。
【错解分析】 错解一:
(1)ab导体下滑过程中受到重力G和框架的支持力N,如图11-10。 根据牛顿第二定律ΣF=ma mgsinα= ma a = gsinα
导体的初速度为V0=0,导体做匀加速直线运动,由运动学公式 v=v0+at=5t
随着t的增大,导体的速度v增大vm→∞
由ε=BLv可知 当vm→∞,电功率P→∞ 错解二:
当导体所受合力为零时,导体速度达到最大值。 (1)导体ab受G和框架的支持力N,而做加速运动 由牛顿第二定律 mgsin30°= ma a = gsin30°
但是导体从静止开始运动后,就会产生感应电动势,回路中就会有感应电流,感应电流使得导体受到磁场的安培力的作用。设安培力为FA。
随着速度v的增加,加速度a逐渐减小。当a=0时,速度v有最大值
分析导体ab下滑过程中物理量变化的因果关系是求ab导体下滑最大速度的关键。
错解一:正是由于对电磁现象规律和力与运动的关系理解不够,错误地分析出ab导体在下滑过程中做匀加速运动。实际上,导体ab只要有速度,就会产生感应电动势,感应电流在磁场中受到安培力的作用。安培力随速度的增加而增大,且安培力的方向与速度方向相反,导体做加速度逐渐减小的变加速直线运动。
错解二:的分析过程是正确的,但是把导体下滑时产生的电动势写错了公式,ε=BLvsin30°中30°是错误的。ε=BLvsinθ中的θ角应为磁感强度B与速度v的夹角。本题中θ=90°。 【正确解答】
(1)导体ab受G和框架的支持力N,而做加速运动由牛顿第二定律 mgsin30°= ma a = gsin30°= 5(m/s2)
但是导体从静止开始运动后,就会产生感应电动势,回路中就会有感应电流,感应电流使得导体受到磁场的安培力的作用。设安培力为FA
随着速度v的增加,加速度a逐渐减小。当a=0时,速度v有最大值
(2)在导体ab的速度达到最大值时,电阻上释放的电功率
【小结】 :物理解题训练同学们的思维能力。本题要求同学从多角度来看问题。从加速度产生的角度看问题。由于导体运动切割磁感线发生电磁感应产生感应电流,感应电流的受力使得导体所受的合力发生改变,进而使导体的加速度发生变化,直到加速度为零。从能量转化和守恒的角度看:当重力做功使导体的动能增加的同时,导体又要切割磁感线发生电磁感应将动能转化为内能。直至重力做功全部转化为回路的内能。
例10用均匀导线弯成正方形闭合金属线框abcd,线框每边长80cm,每边的电阻为0.01Ω。把线框放在磁感强度B=0.05T的匀强磁场中,并使它绕轴OO′以ω=100rad/s的角速度匀角速度旋转,旋转方向如图
(1)每条边产生的感应动势大小; (2)线框内感应电流的大小;
(3)e,f分别是ab和cd的中点,ef两点间的电势差。
【错解分析】错解:线圈在转动时,只有ab边和cd边作切割磁感线运动,产生感应电动势。
(2)由右手定则可知,线框在图示位置时,ab中感应电动势方向向上,而cd中感应电势的方向向下。
(3)观察fcbe电路
ad和εbc。即
本题解共有4处错误。第一,由于审题不清没有将每一条边的感应电动势求出,即缺少ε
使它们为零,也应表达出来。第二,边长中两部分的的倍数关系与每一部分占总长的几分之几表述不正确。第三,ab边和cd边的感应电动势的方向分别向上、向下。但是它们的关系是电源的串联,都使电路中产生顺时针方向的电流,闭合回路的总电动势应为:ε 【正确解答】
(1)线框转动时,ab边和cd边没有切割磁感线,所以ε
ad=0,εbc=0。
cd+εab,而不是相减。第四,求
Uef时,研究电路fcbe,
cd/2。
应用闭合电路欧姆定律,内电路中产生电动势的边长只剩下一半,感应电动势也只能是ε
(3)观察fcbe电路
【小结】
没有规矩不能成方圆。解决电磁感应的问题其基本解题步骤是:(1)通过多角度的视图,把磁场的空间分布弄清楚。(2)在求感应电动势时,弄清是求平均电动势还是瞬时电动势,选择合适的公式解题。(3)进行电路计算时要画出等效电路图作电路分析,然后求解。
例11共有100匝的矩形线圈,在磁感强度为0.1T的匀强磁场中以角速度ω=10rad/s绕线圈的中心轴旋转。已知线圈的长边a=20cm,短边b=10cm,线圈总电阻为2Ω。求(1)线圈平面转到什么位置时,线圈受到的电磁力矩最大?最大力矩有多大?(2)线圈平面转到与磁场方向夹角60°时,线圈受到的电磁力矩。
【错解分析】错解:
(l) 当线圈平面与磁场方向平行时电磁力矩最大。如图ll-12所示。
磁场对线圈一条边的作用力 F=BIb=0.01N
线圈受到的电磁力矩
(2) 若θ=60°时,如图11-13
ε′=NBabωsin60°=1.73V
磁场对线圈一条边的作用力 F′=BI′b=0.00866N
此时线圈受到的电磁力矩
第一问解法是正确的。但第二问出了两点错:公式ε=Blvsinθ中的θ应该是B与v的夹角。错解中把线
圈
平
面
与
磁
场
的
夹
角
当
作
θ
。
另
一
【正确解答】
磁场对线圈一边的作用力 F′=BI′b=0.005N 此时的力矩