电磁感应中的双杆双动导轨滑轨能量动量问题大综合(2)

2019-03-04 13:25

C. 若ab向右匀减速运动,cd向左运动

分析:这是多级电磁感应问题,ab相当于一个电源,右线圈相当于负载;左线圈相当于电源,cd相当于负载。ab运动为因,切割磁感线产生感应电流为果,电流流过右线圈为因,右线圈中形成磁场为果,右线圈磁场的磁感线通过左线圈,磁场变化时为因,左线圈中产生感应电流为果,感应电流流过cd为因,cd在左磁场中受安培力作用而运动为果。故A、B、C均正确。

小结:分析电磁感应现象中的多级感应问题,要正确处理好因果关系,步步为营,紧扣闭合回路及回路中的磁通量的变化这一关键,对于线圈问题还应注意线圈的绕向。 练习:在匀强磁场中放一电阻不计的平行金属导轨,导轨跟大线圈磁力线垂直于导轨所在平面。欲使

所包围的小闭合线圈

相接,如图所示。导轨上放一根导线ab,

产生顺时针方向的感应电流,则导线的运动可能是

( )

A. 向右运动 B. 加速向右运动 C. 减速向右运动 D. 加速向左运动

分析:此题可用逆向思维的方法分析。欲使N产生顺时针方向的感应电流,感应电流在面向里,由楞次定律可知,有两种情况:一是里,且磁通量在减小;二是

中有顺时针方向的逐渐减小的电流,其在

中的磁场方向垂直纸中的磁场方向亦向

中有逆时针方向的逐渐增大的电流,其在中的磁场方向为向外,且磁通量在增

大,对于前者,应使ab减速向右运动;对于后者,应使ab加速向左运动,故CD正确。

问题7:电磁感应中的动力学问题

[例13](2005年上海)如图所示,处于匀强磁场中的两根足够长、电阻不计的平行金属导轨相距1m,导轨平面与水平面成θ=370角,下端连接阻值为R的电阻。匀强磁场的方向与导轨平面垂直。质量为0.2kg、电阻不计的导体棒放在两导轨上,棒与导轨垂直并且接触良好,它们间的动摩擦因数为0.25。 (1)金属棒沿导轨由静止开始下滑时的加速度大小。

(2)当金属棒下滑速度达到稳定时,电阻R消耗的功率为8W,求该速度的大小。 (3)在上问中,若R=2Ω,金属棒中电流方向由a到b,求磁感应强度的大小与方向。(g=10m/s2,sin370=0.6,cos370=0.8)

分析:

(1)金属棒开始下滑时初速度为零,根据牛顿第二定律有:代入数据得:

(2)设金属棒达到稳定时,速度为v,所受安培力为F,棒在沿导轨方向受力平衡,则此时金属棒克服安培力做功的功率等于电路中电阻R消耗的电功率

V=

(3)设电路中电流强度为I,两导轨间金属棒的长度为L,磁场的感应强度为B,则I=,P=I2R,由以上两

式得 B=

磁场的方向垂直导轨平面向上。

小结:此题为电磁感应知识与力学、电路知识的综合问题,此类题目常以导轨运动为背景,解决此类题的关键是对金属导体作出正确的受力分析,并通过运动状态的动态分析来寻找过程的临界状态,得出速度、加速度的极值条件,找到解题的突破口,然后综合运用力学及电学规律分析和解决实际问题。 练习:(06重庆卷)两根相距为L的足够长的金属直角导轨如题下图所示放置,它们各有一边在同一水平面内,另一边垂直于水平面。质量均为m的金属细杆ab、cd与导轨垂直接触形成闭合回路,杆与导轨之间的动摩擦因数为μ,导轨电阻不计,回路总电阻为2R。整个装置处于磁感应强度大小为B,方向竖直向上的匀强磁场中。当ab杆在平行于水平导轨的拉力F作用下以速度V1沿导轨匀速运动时,cd杆也正好以速率向下V2匀速运动。重力加速度为g。以下说法正确的是( )

A. ab杆所受拉力F的大小为μmg+B. cd杆所受摩擦力为零

C. 回路中的电流强度为答案:AD

问题8:电磁感应中的电路问题 [例14] 如图所示,在磁感强度为

D. μ与V1大小的关系为μ=

的匀强磁场中有一半径为的

金属圆环。已知构成圆环的电线电阻为环上滑动的金属棒

电阻为

,电阻

,以O为轴可以在圆

。如果

以某一角速度匀速转动时,电阻的电功率最小值为,那么

棒匀速转动的角速度应该多大?(其它电阻不计) 分析:

棒的感应电动势e=BL2w/2,等效电路如图所示,当棒端处于圆环最上端时,即时,

圆环的等效电阻最大,其值干路中的最小电流

电阻R1的最小功率P0=

小结:电磁感应现象常与恒定电路相结合构建综合题,分析此类问题时一般遵循“三步曲”即:用法拉第电磁感应定律和楞次定律确定感应电动势的大小和方向,找准等效电源;正确画好等效电路,区分内、外电路,路端电压与电动势;灵活运用闭合电路欧姆定律,串、并联电路的性质及电功、电功率、电热等计算公式求解相关物理量。

电磁感应中的双动式导轨问题

一、等间距水平导轨,无水平外力作用(安培力除外,下同)

例1 两根足够长的固定的平行金属导轨位于同一水平面内,两导轨间的距离为。导轨上面横放着两根导体棒

,构成矩形回路,如图所示。两根导体棒的质量皆为

,电阻皆为

,回路中其余部分的电阻可

不计。在整个导轨平面内都有竖直向上的匀强磁场,磁感应强度为开始时,棒

静止,棒

有指向棒

的初速度

。设两导体棒均可沿导轨无摩擦地滑行,

。若两导体棒在运动中始终不接触,求:

(1)在运动中产生的焦耳热最多是多少?

(2)当解析

棒的速度变为初速度的棒向

时,棒的加速度是多少?

棒受到

棒运动时,两棒和导轨构成的回路面积变小,磁通量变小,于是产生感应电流。

棒则在安培力的作用下向右做加速运动。只要

与其运动方向相反的安培力而做减速运动,于

棒的速度,回路总有感应电流,

棒的速度大

棒继续减速,棒继续加速,直到两棒速度相同后,回路面积保

持不变,不产生感应电流,两棒以相同的速度做匀速运动。 (1)从开始到两棒达到相同速度的过程中,两棒的总动量守恒,有

,根据能量守恒定律,整

个过程中产生的焦耳热 。

(2)设

棒的速度变为时,棒的速度为,则由动量守恒可知得,

此时棒所受的安培力。

由牛顿第二定律可得:棒的加速度。

二、不等间距水平导轨,无水平外力作用 例2 如图所示,光滑导轨

等高平行放置,

、、

间宽度为是质量均为

间宽度的3倍,导轨右侧水平且处于的金属棒,现让

从离水平轨道高处

竖直向上的匀强磁场中,左侧呈弧形升高。由静止下滑,设导轨足够长。试求: (1)

棒的最终速度;(2)全过程中感应电流产生的焦耳热。

解析

下滑进入磁场后切割磁感线,在

电路中产生感应电流,

各受不同的磁场力作用而分、

不再受磁场力作用,各

别作变减速、变加速运动,电路中感应电流逐渐减小,当感应电流为零时,自以不同的速度匀速滑动。

(1)由于

自由下滑,机械能守恒:、

,故它们的磁场

串联在同一电路中,任何时刻通过的电流总相等,金属棒有效长度

② 、

各作变速运动,产生的感应电动势方向相反,当

运动趋于稳定,此时有:

力为:

在磁场力作用下,为零(

时,电路中感应电流

),安培力为零,

所以 、

受安培力作用,动量均发生变化,由动量定理得:

④ ⑤

联立以上各式解得:,

(2)根据系统的总能量守恒可得:三、等间距水平导轨,受水平外力作用

例3 两根平行的金属导轨,固定在同一水平面上,磁感强度轨的电阻很小,可忽略不计。导轨间的距离

,两根质量均为

的匀强磁场与导轨所在平面垂直,导

的平行金属杆甲、乙可在。在

时刻,两杆

导轨上无摩擦地滑动,滑动过程中与导轨保持垂直,每根金属杆的电阻为都处于静止状态。现有一与导轨平行,大小为0.20N的恒力经过

,金属杆甲的加速度为

作用于金属杆甲上,使金属杆在导轨上滑动。

,求此时两金属杆的速度各为多少?

解析 设任一时刻两金属杆甲、乙之间的距离为,速度分别为

,杆乙移动距离

,回路面积改变

由法拉第电磁感应定律,回路中的感应电动势:回路中的电流:杆甲的运动方程:

时为0)等于外力F

,经过很短时间

,杆甲移动距离

由于作用于杆甲和杆乙的安培力总是大小相等、方向相反,所以两杆的动量变化(的冲量:

联立以上各式解得

代入数据得

=8.15m/s

=1.85m/s

四、竖直导轨问题

例4 如图所示,竖直放置的两光滑平行金属导轨,置于垂直于导轨平面向里的匀强磁场中,两根质量相同


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