高考电磁感应综合典型例题及解析(3)

2019-01-12 12:17

【分析】 ab棒在重力分力mgsinα作用下沿框面加速下滑,切割磁感线产生感应电动势,并形成感应电流,其方向从b流向a.从而使ab棒受到磁场力FB作用,其方向沿框面向上,形成对下滑运动的阻碍作用.可表示为

可见,ab棒下滑时做变加速运动,随着下滑速度v的增大,加速度逐渐减小,当ab棒下滑的速度增至某一值时,mgsinα=FB,a=0,以后即保持该速度匀速下滑,所以ab棒匀速下滑的速度就是最大速度vm。此时重力的功率完全转化为电功率。

【解答】 (1)根据上面的分析,由匀速运动的力平衡条件

【说明】

在图2中,导线做匀速移动时满足条件

【例9】 如图1,边长为L,具有质量的刚性正方形导线框abcd,位于光滑水平面上,线框总电阻为R.虚线表示一匀强磁场区域的边界,宽为s(s>L),磁感应强度为B,方向竖直向下.线框以v的初速度沿光滑水平面进入磁场,已知ab边刚进入磁场时通过导线框的电流强度为I0,试在I—x坐标上定性画出此后流过导线框的电流i随坐标位置x变化的图线。

【分析】 要画出线框的电流i随x的变化图线,必须先分析线框在磁场中的受力情况、运动情况,再由运动情况判断线框中电流的变化情况,最后才能做出图线.本题中线框进入磁场受安培力作用而做减速运动,其运动情况和电流的变化规律可能有以下三种情况。 【解答】

(1)线框还没有完全进入(或恰能完全进入)磁场时,速度就减小为零,此过程v减小,i减小,F减小,加速度a减小,使v减小,运动越来越慢,因而i减小的也越来越慢,图线斜率越来越小,最后v为零,i为零.对应的图线如图2所示。

(2)线框不能完全通过(或恰能完全通过)磁场时,速度就减小为0.在0→L段,电流的变化情况同(l)类似,只是在L处,电流由某一数值I1突变为0;在L→s段,线框做匀速运动,无感应电流;在s点以后,线框做减速运动,直至v为零,i为零.此过程电流变化规律同(1)类似,只是方向相反,大小由—I1变为零.对应的图线如图3所示.

(3)线框能完全通过磁场,且速度不为零.在0─段,电流变化情况和图线同(2)类似;在s→s+L段,电流变化情况同(2)中的s以后段类似,只是在s+L处,电流由某一数值—I2突变为0;此后线框匀速运动,无感应电流.对应的图线如图4所示。

【说明】 由以上的分析和讨论可以看出,电磁感应图象作图题,所涉及的不单是运动学、动力学、电磁感应、欧姆定律等内容,而且涉及到应用数学知识处理物理问题的方法,就是“数理结合”、“数形结合”。

【例10】 如图所示,在直线MN右边的磁场方向垂直纸面向外,磁感强度B=0.3T,左边是与它方向相反,磁感强度大小相等的磁场。用一根电阻为R=0.4Ω的导线制成一个半径为r=0.1m,顶角为90°角的两个角交叉的闭合回路ABCDA。回路在磁场中以MN上的一点O为轴,以角速度ω=200rad/s顺时针方向转动。求:若以OA边恰在OM位置开始计时,回路转过1/4周期的时间内,感应电流多大?方向如何?

【分析】 本题闭合导线构成相互垂直的两个直角扇形,在匀强磁场中匀速转动,由于MN两侧磁场方向相反,旋转过程中,穿过回路所围面积的磁通量要发生变化,因此产生感应电动势和感应电流,可用法拉第电磁感应定律和楞次定律求解,也可用ε=Blv和右手定则求解。

【解答】 从OA边恰在OM位置开始的1/4周期内,闭合回路ABCDA的AO、OD、OC、OB导体均切割磁感线产生的电动势均正向串联,回路中的感应电流方向为ADCBA,其大小:

【说明】 (1)本题对闭合回路用时电动势和平均电动势相等。

也可求得,因为是匀速运动,即

(2)电磁感应问题往往跟电路问题联系在一起,解决这类问题,一要考虑电磁感应的有关规律,如右手定则,楞次定律,法拉第电磁感应定律等;二要考虑电路中的有关规律,如串、并联电路的性质、欧姆定律等。


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