電磁感應中“單、雙棒”問題歸類例析
一、單棒問題:
1.單棒與電阻連接構成回路:
例1、如圖所示,MN、PQ是間距為L的平行金屬導軌,置于磁感強度為B、方向垂直導軌所在平面向里的勻強磁場中,M、P間接有一阻值為R的電阻.一根與導軌接觸良好、阻值為R/2的金屬導線ab垂直導軌放置
(1)若在外力作用下以速度v向右勻速滑動,試求ab兩點間的電勢差。
(2)若無外力作用,以初速度v向右滑動,試求運動過程中產生的熱量、通過ab電量以及ab發生的位移x。
2、桿與電容器連接組成回路
例2、如圖所示, 豎直放置的光滑平行金屬導軌, 相距l , 導軌一端接有一個電容器, 電容量為C, 勻強磁場垂直紙面向里, 磁感應強度為B, 質量為m的金屬棒ab可緊貼導軌自由滑動. 現讓ab由靜止下滑, 不考慮空氣阻力, 也不考慮任何部分的電阻和自感作用. 問金屬棒的做什么運動?棒落地時的速度為多大?
3、桿與電源連接組成回路
例3、如圖所示,長平行導軌PQ、MN光滑,相距m,處在同一水平面中,磁感應強度B=0.8T的勻強磁場豎直向下穿過導軌面.橫跨在導軌上的直導線ab的質量m =0.1kg、電阻R =0.8Ω,導軌電阻不計.導軌間通過開關S將電動勢E =1.5V、內電阻r =0.2Ω的電池接在M、P兩端,試計算分析:
(1)在開關S剛閉合的初始時刻,導線ab的加速度多大?隨后ab的加速度、速度如何變化?
(2)在閉合開關S后,怎樣才能使ab以恒定的速度υ =7.5m/s沿導軌向右運動?試描述這時電路中的能量轉化情況(通過具體的數據計算說明).
二、雙桿問題:
1、雙桿所在軌道寬度相同——常用動量守恒求穩定速度
例4、兩根足夠長的固定的平行金屬導軌位于同一水平面內,兩導軌間的距離為L。導軌上面橫放著兩根導體棒ab和cd,構成矩形回路,如圖所示.兩根導體棒的質量皆為m,電阻皆為R,回路中其余部分的電阻可不計.在整個導軌平面內都有豎直向上的勻強磁場,磁感應強度為B.設兩導體棒均可沿導軌無摩擦地滑行.開始時,棒cd靜止,棒ab有指向棒cd的初速度v0.若兩導體棒在運動中始終不接觸,求:
(1)在運動中產生的焦耳熱最多是多少.
(2)當ab棒的速度變為初速度的3/4時,cd棒的加速度是多少?
例5、如圖所示,兩根平行的金屬導軌,固定在同一水平面上,磁感應強度B=0.50T的勻強磁場與導軌所在平面垂直,導軌的電阻很小,可忽略不計。導軌間的距離l=0.20m。兩根質量均為m=0.10kg的平行金屬桿甲、乙可在導軌上無摩擦地滑動,滑動過程中與導軌保持垂直,每根金屬桿的電阻為R=0.50Ω。在t=0時刻,兩桿都處于靜止狀態。現有一與導軌平行、大小為0.20N的恒力F作用于金屬桿甲上,使金屬桿在導軌上滑動。經過t=5.0s,金屬桿甲的加速度為a=1.37m/s2,問此時兩金屬桿的速度各為多少?
2、雙桿所在軌道寬度不同——常用動量定理找速度關系
例6、如圖所示,abcd和a/b/c/d/為水平放置的光滑平行導軌,區域內充滿方向豎直向上的勻強磁場。ab、a/b/間的寬度是cd、c/d/間寬度的2倍。設導軌足夠長,導體棒ef的質量是棒gh的質量的2倍。現給導體棒ef一個初速度v0,沿導軌向左運動,當兩棒的速度穩定時,兩棒的速度分別是多少?
3、磁場方向與導軌平面不垂直
例7、如圖所示,ab和cd是固定在同一水平面內的足夠長平行金屬導軌,ae和cf是平行的足夠長傾斜導軌,整個裝置放在豎直向上的勻強磁場中。在水平導軌上有與導軌垂直的導體棒1,在傾斜導軌上有與導軌垂直且水平的導體棒2,兩棒與導軌間接觸良好,構成一個閉合回路。已知磁場的磁感應強度為B,導軌間距為L,傾斜導軌與水平面夾角為θ,導體棒1和2質量均為m,電阻均為R。不計導軌電阻和一切摩擦。現用一水平恒力F作用在棒1上,從靜止開始拉動棒1,同時由靜止開始釋放棒2,經過一段時間,兩棒最終勻速運動。忽略感應電流之間的作用,試求:
(1)水平拉力F的大小;
(2)棒1最終勻速運動的速度v1的大小。
三、軌道滑模型
例8、如圖所示,abcd為質量m的U形導軌,ab與cd平行,放在光滑絕緣的水平面上,另有一根質量為m的金屬棒PQ平行bc放在水平導軌上,PQ棒右邊靠著絕緣豎直光滑且固定在絕緣水平面上的立柱e、f,U形導軌處于勻強磁場中,磁場以通過e、f的O1O2為界,右側磁場方向豎直向上,左側磁場方向水平向左,磁感應強度大小都為B,導軌的bc段長度為L,金屬棒PQ的電阻R,其余電阻均可不計,金屬棒PQ與導軌間的動摩擦因數為μ,在導軌上作用一個方向向右,大小F==mg的水平拉力,讓U形導軌從靜止開始運動.設導軌足夠長.求:
(1)導軌在運動過程中的最大速度υm
(2)若導軌從開始運動到達到最大速度υm的過程中,流過PQ棒的總電量為q,則系統增加的內能為多少?
練習:
1、如右圖所示,一平面框架與水平面成37°角,寬L=0.4 m,上、下兩端各有一個電阻R0=1 Ω,框架的其他部分電阻不計,框架足夠長.垂直于框平面的方向存在向上的勻強磁場,磁感應強度B=2T.ab為金屬桿,其長度為L=0.4 m,質量m=0.8 kg,電阻r=0.5Ω,棒與框架的動摩擦因數μ=0.5.由靜止開始下滑,直到速度達到最大的過程中,上端電阻R0產生的熱量Q0=0.375J(已知sin37°=0.6,cos37°=0.8;g取10m/s2)求:
(1)桿ab的最大速度;
(2)從開始到速度最大的過程中ab桿沿斜面下滑的距離;在該過程中通過ab的電荷量.
2、光滑U型金屬框架寬為L,足夠長,其上放一質量為m的金屬棒ab,左端連接有一電容為C的電容器,現給棒一個初速v0,使棒始終垂直框架并沿框架運動,如圖所示。求導體棒的最終速度。
3、如圖所示,兩根間距為l的光滑金屬導軌(不計電阻),由一段圓弧部分與一段無限長的水平段部分組成.其水平段加有豎直向下方向的勻強磁場,其磁感應強度為B,導軌水平段上靜止放置一金屬棒cd,質量為2m,電阻為2r.另一質量為m,電阻為r的金屬棒ab,從圓弧段M處由靜止釋放下滑至N處進入水平段,圓弧段MN半徑為R,所對圓心角為60°,求:
(1)ab棒在N處進入磁場區速度多大?此時棒中電流是多少?
(2) cd棒能達到的最大速度是多大?
(3)ab棒由靜止到達最大速度過程中,
系統所能釋放的熱量是多少?
4、如圖所示,兩根平行的金屬導軌,固定在同一水平面上,磁感應強度B=0.50T的勻強磁場與導軌所在平面垂直,導軌的電阻很小,可忽略不計。導軌間的距離l=0.20m。兩根質量均為m=0.10kg的平行金屬桿甲、乙可在導軌上無摩擦地滑動,滑動過程中與導軌保持垂直,每根金屬桿的電阻為R=0.50Ω。在t=0時刻,兩桿都處于靜止狀態。現有一與導軌平行、大小為0.20N的恒力F作用于金屬桿甲上,使金屬桿在導軌上滑動。經過t=5.0s,金屬桿甲的加速度為a=1.37m/s2,問此時兩金屬桿的速度各為多少?
電磁感應中“單棒、雙棒”問題歸類例析答案
一、單棒問題:
1.單棒與電阻連接構成回路:
例1.解析:(1)ab運動切割磁感線產生感應電動勢E,所以ab相當于電源,與外電阻R構成回路。
∴Uab=
(2)若無外力作用則ab在安培力作用下做減速運動,最終靜止。動能全部轉化為電熱。
。由動量定理得:即,∴。,∴。
2、桿與電容器連接組成回路
例2 .解析:ab在mg 作用下加速運動,經時間 t ,速度增為v,a =v / t
產生感應電動勢 E=Bl v
電容器帶電量 Q=CE=CBl v,感應電流I=Q/t=CBL v/ t=CBl a
產生安培力F=BIl =CB2 l 2a,由牛頓運動定律 mg-F=ma
ma= mg - CB2 l 2a ,a= mg / (m+C B2 l 2)
∴ab做初速為零的勻加直線運動, 加速度 a= mg / (m+C B2 l 2)
落地速度為
3、桿與電源連接組成回路
例3.解析(1)在S剛閉合的瞬間,導線ab速度為零,沒有電磁感應現象,由a到b的電流,ab受安培力水平向右,此時瞬時加速度
ab運動起來且將發生電磁感應現象.ab向右運動的速度為υ時,感應電動勢,根據右手定則,ab上的感應電動勢(a端電勢比b端高)在閉合電路中與電池電動勢相反.電路中的電流(順時針方向,)將減小(小于I0=1.5A),ab所受的向右的安培力隨之減小,加速度也減小.盡管加速度減小,速度還是在增大,感應電動勢E隨速度的增大而增大,電路中電流進一步減小,安培力、加速度也隨之進一步減小,當感應電動勢與電池電動勢E相等時,電路中電流為零,ab所受安培力、加速度也為零,這時ab的速度達到最大值,隨后則以最大速度繼續向右做勻速運動.
設最終達到的最大速度為υm,根據上述分析可知:
所以m/s=3.75m/s.
(2)如果ab以恒定速度m/s向右沿導軌運動,則ab中感應電動勢
V=3V
由于>,這時閉合電路中電流方向為逆時針方向,大小為:A=1.5A
直導線ab中的電流由b到a,根據左手定則,磁場對ab有水平向左的安培力作用,大小為N=0.6N
所以要使ab以恒定速度m/s向右運動,必須有水平向右的恒力N作用于ab.
上述物理過程的能量轉化情況,可以概括為下列三點:
①作用于ab的恒力(F)的功率:W=4.5W
②電阻(R +r)產生焦耳熱的功率:W=2.25W
③逆時針方向的電流,從電池的正極流入,負極流出,電池處于“充電”狀態,吸收能量,以化學能的形式儲存起來.電池吸收能量的功率:W=2.25W
由上看出,,符合能量轉化和守恒定律(沿水平面勻速運動機械能不變).
二、雙桿問題:
1、雙桿所在軌道寬度相同——常用動量守恒求穩定速度
例4.解析:ab棒向cd棒運動時,兩棒和導軌構成的回路面積變小,磁通量發生變化,于是產生感應電流.ab棒受到與運動方向相反的安培力作用作減速運動,cd棒則在安培力作用下作加速運動.在ab棒的速度大于cd棒的速度時,回路總有感應電流,ab棒繼續減速,cd棒繼續加速.兩棒速度達到相同后,回路面積保持不變,磁通量不變化,不產生感應電流,兩棒以相同的速度v作勻速運動.
(1)從初始至兩棒達到速度相同的過程中,兩棒總動量守恒,有 根據能量守恒,整個過程中產生的總熱量
(2)設ab棒的速度變為初速度的3/4時,cd棒的速度為v1,則由動量守恒可知:
。此時回路中的感應電動勢和感應電流分別為:,。此時棒所受的安培力:,所以棒的加速度為 由以上各式,可得 。
例5.解析:設任一時刻t兩金屬桿甲、乙之間的距離為x,速度分別為v1和v2,經過很短的時間△t,桿甲移動距離v1△t,桿乙移動距離v2△t,回路面積改變
由法拉第電磁感應定律,回路中的感應電動勢
回路中的電流 ,桿甲的運動方程
由于作用于桿甲和桿乙的安培力總是大小相等,方向相反,所以兩桿的動量時為0)等于外力F的沖量。聯立以上各式解得
,代入數據得
2、雙桿所在軌道寬度不同——常用動量定理找速度關系
例6.解析:當兩棒的速度穩定時,回路中的感應電流為零,設導體棒ef的速度減小到v1, 導體棒gh的速度增大到v2,則有2BLv1-BLv2=0,即v2=2v1。對導體棒ef由動量定理得: 對導體棒gh由動量定理得:。由以上各式可得:。
3、磁場方向與導軌平面不垂直
例7.解析(1)1棒勻速:2棒勻速:
解得:
(2)兩棒同時達勻速狀態,設經歷時間為t,過程中平均感應電流為,據動量定理,
對1棒:;對2棒:
聯立解得:
勻速運動后,有:, 解得:
三、軌道滑模型
例8.解析:(1)當導軌的加速度為零時,導軌速度最大為υm。導軌在水平方向上受到外力F、水平向左的安培力F1和滑動摩擦力F2,則
,,即
以PQ棒為研究對象,PQ靜止,在豎直方向上受重力mg、豎直向上的支持力N和安培力F3,則,得,將F1和F2代入解得
,得
(2)設導軌從開始運動到達到最大速度的過程中,移動的距離為S,在這段過程中,經過的時間為t,PQ棒中的平均電流強度為I1,QPbC回路中的平均感應電動勢為E1,則
,得。設系統增加的內能為,由功能關系得:,則
練習:
1.解析:該題是一道考察電磁感應、安培力、閉合電路歐姆定律及力學有關知識的綜合題,解題的關鍵是要正確分析金屬桿的運動及受力的變化情況。
(1) 桿ab達到平衡時的速度即為最大速度v,這時
mgsinθ—F— =0,N=mgcosθ
∴F=mg(sinθ—μcosθ)
總電阻,,,
,得
克服磁場力所做的功數值上等于產生的總電能即
,由動能定理:
通過ab的電荷量 ,代入數據得q=2 C
2.解析:當金屬棒ab做切割磁力線運動時,要產生感應電動勢,這樣,電容器C將被充電,ab棒中有充電電流存在,ab棒受到安培力的作用而減速,當ab棒以穩定速度v勻速運動時,有:
BLv=UC=q/C
而對導體棒ab利用動量定理可得:-BLq=mv-mv0
由上述二式可求得:
3、解析:(1)ab棒由靜止從M滑下到N的過程中,只有重力做功,機械能守恒,所以到N處速度可求,進而可求ab棒切割磁感線時產生的感應電動勢和回路中的感應電流.ab棒由M下滑到N過程中,機械能守恒,故有
,解得。進入磁場區瞬間,回路中電流強度I為
(2)設ab棒與cd棒所受安培力的大小為F,安培力作用時間為 t,ab 棒在安培力作用下做減速運動,cd棒在安培力作用下做加速運動,當兩棒速度達到相同速度v’時,電路中電流為零,安培力為零,cd達到最大速度.
運用動量守恒定律得:
解得
(3)系統釋放熱量應等于系統機械能減少量,故有:
解得
4、解析:設任一時刻t兩金屬桿甲、乙之間的距離為x,速度分別為v1和v2,經過很短的時間△t,桿甲移動距離v1△t,桿乙移動距離v2△t,回路面積改變
由法拉第電磁感應定律,回路中的感應電動勢
回路中的電流 ,桿甲的運動方程
由于作用于桿甲和桿乙的安培力總是大小相等,方向相反,所以兩桿的動量時為0)等于外力F的沖量。聯立以上各式解得 ,代入數據得