(一)电磁感应中的“双杆问题 电磁感应中“双杆问题 是学科内部综合的问题.涉及到电磁感应.安培力.牛顿运动定律和动量定理.动量守恒定律及能量守恒定律等.要求学生综合上述知识.认识题目所给的物理情景.找出物理量之间的关系.因此是较难的一类问题.也是近几年高考考察的热点. 考题回顾 [例3]如图所示.两根平行的金属导轨.固定在同一水平面上.磁感应强度B=0.50T的匀强磁场与导轨所在平面垂直.导轨的电阻很小.可忽略不计.导轨间的距离l=0.20m.两根质量均为m=0.10kg的平行金属杆甲.乙可在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R=0.50Ω.在t=0时刻.两杆都处于静止状态.现有一与导轨平行.大小为0.20N的恒力F作用于金属杆甲上.使金属杆在导轨上滑动.经过t=5.0s.金属杆甲的加速度为a=1.37m/s2.问此时两金属杆的速度各为多少? 解析:设任一时刻t两金属杆甲.乙之间的距离为x.速度分别为v1和v2.经过很短的时间△t.杆甲移动距离v1△t.杆乙移动距离v2△t.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 由于作用于杆甲和杆乙的安培力总是大小相等.方向相反.所以两杆的动量时为0)等于外力F的冲量 联立以上各式解得 代入数据得 点评:题中感应电动势的计算也可以直接利用导体切割磁感线时产生的感应电动势公式和右手定则求解:设甲.乙速度分别为v1和v2.两杆切割磁感线产生的感应电动势分别为 E1=Blv1 .E2=Blv2 由右手定则知两电动势方向相反.故总电动势为E=E2―E1=Bl(v2-v1). 分析甲.乙两杆的运动.还可以求出甲.乙两杆的最大速度差:开始时.金属杆甲在恒力F作用下做加速运动.回路中产生感应电流.金属杆乙在安培力作用下也将做加速运动.但此时甲的加速度肯定大于乙的加速度.因此甲.乙的速度差将增大.根据法拉第电磁感应定律.感应电流将增大.同时甲.乙两杆所受安培力增大.导致乙的加速度增大.甲的加速度减小.但只要a甲>a乙.甲.乙的速度差就会继续增大.所以当甲.乙两杆的加速度相等时.速度差最大.此后.甲.乙两杆做加速度相等的匀加速直线运动. 设金属杆甲.乙的共同加速度为a.回路中感应电流最大值Im.对系统和乙杆分别应用牛顿第二定律有:F=2ma,BLIm=ma. 由闭合电路敬欧姆定律有E=2ImR.而 由以上各式可解得 [例4]图中a1b1c1d1和a2b2c2d2为在同一竖直平面内的金属导轨.处在磁感应强度为B的匀强磁场中.磁场方向垂直于导轨所在平面向里.导轨的a1b1段与a2b2段是竖直的.距离为l1,c1d1段与c2d2段也是竖直的.距离为l2.x1 y1与x2 y2为两根用不可伸长的绝缘轻线相连的金属细杆.质量分别为和m1和m2.它们都垂直于导轨并与导轨保持光滑接触.两杆与导轨构成的回路的总电阻为R.F为作用于金属杆x1y1上的竖直向上的恒力.已知两杆运动到图示位置时.已匀速向上运动.求此时作用于两杆的重力的功率的大小和回路电阻上的热功率. 解析:设杆向上的速度为v.因杆的运动.两杆与导轨构成的回路的面积减少.从而磁通量也减少.由法拉第电磁感应定律.回路中的感应电动势的大小 ① 回路中的电流 ② 电流沿顺时针方向.两金属杆都要受到安培力作用.作用于杆x1y1的安培力为 ③ 方向向上.作用于杆x2y2的安培力为 ④ 方向向下.当杆作匀速运动时.根据牛顿第二定律有 ⑤ 解以上各式得 ⑥ ⑦ 作用于两杆的重力的功率的大小 ⑧ 电阻上的热功率 ⑨ 由⑥⑦⑧⑨式.可得 ⑩ ⑾ 下面对“双杆 类问题进行分类例析 1.“双杆 向相反方向做匀速运动 当两杆分别向相反方向运动时.相当于两个电池正向串联. [例5]两根相距d=0.20m的平行金属长导轨固定在同一水平面内.并处于竖直方向的匀强磁场中.磁场的磁感应强度B=0.2T.导轨上面横放着两条金属细杆.构成矩形回路.每条金属细杆的电阻为r=0.25Ω.回路中其余部分的电阻可不计.已知两金属细杆在平行于导轨的拉力的作用下沿导轨朝相反方向匀速平移.速度大小都是v=5.0m/s.如图所示.不计导轨上的摩擦. (1)求作用于每条金属细杆的拉力的大小. (2)求两金属细杆在间距增加0.40m的滑动过程中共产生的热量. 解析:(1)当两金属杆都以速度v匀速滑动时.每条金属杆中产生的感应电动势分别为: E1=E2=Bdv 由闭合电路的欧姆定律.回路中的电流强度大小为: 因拉力与安培力平衡.作用于每根金属杆的拉力的大小为F1=F2=IBd. 由以上各式并代入数据得N (2)设两金属杆之间增加的距离为△L.则两金属杆共产生的热量为. 代入数据得 Q=1.28×10-2J. 2.“双杆 同向运动.但一杆加速另一杆减速 当两杆分别沿相同方向运动时.相当于两个电池反向串联. [例6]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L.导轨上面横放着两根导体棒ab和cd.构成矩形回路.如图所示.两根导体棒的质量皆为m.电阻皆为R.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B.设两导体棒均可沿导轨无摩擦地滑行.开始时.棒cd静止.棒ab有指向棒cd的初速度v0.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ab棒的速度变为初速度的3/4时.cd棒的加速度是多少? 解析:ab棒向cd棒运动时.两棒和导轨构成的回路面积变小.磁通量发生变化.于是产生感应电流.ab棒受到与运动方向相反的安培力作用作减速运动.cd棒则在安培力作用下作加速运动.在ab棒的速度大于cd棒的速度时.回路总有感应电流.ab棒继续减速.cd棒继续加速.两棒速度达到相同后.回路面积保持不变.磁通量不变化.不产生感应电流.两棒以相同的速度v作匀速运动. (1)从初始至两棒达到速度相同的过程中.两棒总动量守恒.有 根据能量守恒.整个过程中产生的总热量 (2)设ab棒的速度变为初速度的3/4时.cd棒的速度为v1.则由动量守恒可知: 此时回路中的感应电动势和感应电流分别为:. 此时棒所受的安培力: .所以棒的加速度为 由以上各式.可得 . 3. “双杆 中两杆都做同方向上的加速运动. “双杆 中的一杆在外力作用下做加速运动.另一杆在安培力作用下做加速运动.最终两杆以同样加速度做匀加速直线运动.如[例3] 4.“双杆 在不等宽导轨上同向运动. “双杆 在不等宽导轨上同向运动时.两杆所受的安培力不等大反向.所以不能利用动量守恒定律解题.如 查看更多

 

题目列表(包括答案和解析)

电磁感应中的功率问题、自感

1、电磁感应中的电路问题在电磁感应中,切割磁感线的导体或磁通量的变化的回路将产生________.该导体或回路相当于________(它们的电阻为电源的内阻),将它们接上电容器,便可使电容器________;将它们接上电阻等用电器,在回路中形成________,便可对用电器供电.因此,电磁感应问题往往和电路联系在一起,解决这类问题的基本方法是:

(1)用法拉第电磁感应定律和楞次定律确定感应电流的大小和方向.

(2)画出等效电路图

(3)应用全电路欧姆定律、串并联电路的性质、电功率等公式联立求解.

2、自感

①、自感现象:自感现象是一种特殊的电磁感应现象,它是由于导体本身的电流发生________时而产生的电磁感应现象.自感现象遵循电磁感应的所有规律.

②、自感电动势的方向:由楞次定律可知,自感电动势总是________原来导体中电流的变化.当回路中的电流增加时,自感电动势和原来电流的方向________;当回路中的电流减小时,自感电动势和原来电流的方向________.自感对电路中的电流变化有________作用,使电流不能________

③、自感系数:它由线圈________的性质决定.线圈越长,单位长度上线圈的匝数越多,截面积越大,它的自感系数越________.线圈中插入铁芯,自感系数增大很多,自感系数在国际单位制中的单位是________

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(电磁感应中的能量问题)如图所示,相距为L的光滑平行金属导轨水平放置,导轨一部分处在以为右边界匀强磁场中,匀强磁场的磁感应强度大小为B,方向垂直导轨平面向下,导轨右侧接有定值电阻R,导轨电阻忽略不计.在距边界也为L处垂直导轨放置一质量为m、电阻r的金属杆ab

(1)ab杆在恒力作用下由静止开始向右运动3 L距离,其速度一位移的关系图象如图乙所示(图中所示量为已知量).求此过程中电阻R上产生的焦耳QRab杆在刚要离开磁场时的加速度大小a

(2)ab杆固定在导轨上的初始位置,使匀强磁场保持大小不变,绕轴匀速转动.若从磁场方向由图示位置开始转过的过程中,电路中产生的焦耳热为Q2.则磁场转动的角速度ω大小是多少?

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(电磁感应中的平衡问题)如图甲,两根足够长的、电阻不计的光滑平行金属导轨相距为L11 m,导轨平面与水平面成30°,上端连接阻值为R1.5 Ω的电阻;质量为m0.2 kg、阻值r0.5 Ω金属棒ab放在两导轨上,距离导轨最上端为L24 m,棒与导轨垂直并保持良好接触.整个装置处于一匀强磁场中,该匀强磁场与导轨平面垂直,磁感应强度大小随时间变化的情况如图所示乙所示,为保持ab棒静止,在棒上施加了一平行于导轨平面且垂直于ab棒的外力F,已知当t2 s时,F恰好为零(g10 m/s2)

(1)t2 s时,磁感应强度的大小

(2)t3 s时,外力F的大小和方向

(3)t4 s时,突然撤去外力F,当金属棒下滑速度达到稳定时,导体棒ab端的电压为多大

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如图是一个自制的演示电磁感应现象的装置.在一根较长的铁钉上用漆包线绕两个线圈A和B,将线圈B的两端接在一起,并把漆包线直线状的CD段放在静止的小磁针的正上方,小磁针放在水平桌面上,并与CD平行.不考虑地磁场对小磁针的影响.以下操作中,闭合或断开S前,系统已经处于稳定状态.俯视小磁针,则下列说法正确的是(  )

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(2009?南汇区二模)学习了法拉第电磁感应定律E∝
△ф
△t
后,为了定量验证感应电动势E与时间△t成反比,某小组同学设计了如图所示的一个实验装置:线圈和光电门传感器固定在水平光滑轨道上,强磁铁和挡光片固定在运动的小车上.每当小车在轨道上运动经过光电门时,光电门会记录下挡光片的挡光时间△t,同时触发接在线圈两端的电压传感器记录下在这段时间内线圈中产生的感应电动势E.利用小车末端的弹簧将小车以不同的速度从轨道的最右端弹出,就能得到一系列的感应电动势E和挡光时间△t.

在一次实验中得到的数据如下表:
     次数
测量值
1 2 3 4 5 6 7 8
E/V 0.116 0.136 0.170 0.191 0.215 0.277 0.292 0.329
△t/×10-3s 8.206 7.486 6.286 5.614 5.340 4.462 3.980 3.646
(1)观察和分析该实验装置可看出,在实验中,每次测量的△t时间内,磁铁相对线圈运动的距离都
相同
相同
(选填“相同”或“不同”),从而实现了控制
通过线圈的磁通量的变化量
通过线圈的磁通量的变化量
不变;
(2)在得到上述表格中的数据之后,为了验证E与△t成反比,他们想出两种办法处理数据:第一种是计算法:算出
感应电动势E和挡光时间△t的乘积
感应电动势E和挡光时间△t的乘积
,若该数据基本相等,则验证了E与△t成反比;第二种是作图法:在直角坐标系中作
感应电动势E与挡光时间的倒数
1
△t
感应电动势E与挡光时间的倒数
1
△t
_关系图线,若图线是基本过坐标原点的倾斜直线,则也可验证E与△t成反比.

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