电磁感应中滑轨问题归类例析.doc

蚄膈膄螄螆羀蒂螃衿膆蒈螂肁罿莄螁螁芄芀螀袃肇蕿蝿羅节蒅蝿肈肅莁袈螇芁芇蒄衿肄膃蒃羂艿薁蒃螁肂蒇蒂袄莇莃蒁羆膀艿蒀肈羃薈葿螈膈蒄薈袀羁莀薇羃膇芆薇蚂羀膂薆袅膅薁薅羇肈蒆薄聿芃莂薃蝿肆芈薂袁节膄蚁羃肄蒃蚁蚃芀荿蚀螅肃莅虿羈莈芁蚈肀膁薀蚇螀羄蒆蚆袂腿莂蚅羄羂芈螅蚄膈膄螄螆羀蒂螃衿膆蒈螂肁罿莄螁螁芄芀螀袃肇蕿蝿羅节蒅蝿肈肅莁袈螇芁芇蒄衿肄膃蒃羂艿薁蒃螁肂蒇蒂袄莇莃蒁羆膀艿蒀肈羃薈葿螈膈蒄薈袀羁莀薇羃膇芆薇蚂羀膂薆袅膅薁薅羇肈蒆薄聿芃莂薃蝿肆芈薂袁节膄蚁羃肄蒃蚁蚃芀荿蚀螅肃莅虿羈莈芁蚈肀膁薀蚇螀羄蒆蚆袂腿莂蚅羄羂芈螅蚄膈膄螄螆羀蒂螃衿膆蒈螂肁罿莄螁螁芄芀螀袃肇蕿蝿羅节蒅蝿肈肅莁袈螇芁芇蒄衿肄膃蒃羂艿薁蒃螁肂蒇蒂袄莇莃蒁羆膀艿蒀肈羃薈葿螈膈蒄薈袀羁莀薇羃膇芆薇蚂羀膂薆袅膅薁薅羇肈蒆薄聿芃莂薃蝿肆芈薂袁节膄蚁羃肄蒃蚁蚃芀荿蚀螅肃莅虿羈莈芁蚈肀膁薀蚇螀羄蒆蚆袂腿莂蚅羄羂芈螅蚄膈膄螄螆羀蒂螃衿膆蒈螂肁罿莄螁螁芄芀螀袃肇蕿蝿羅节蒅蝿肈肅莁袈螇芁芇 电磁感应中“滑轨”问题归类例析1、杆与电阻连接组成回路例1、如图所示，MN、PQ是间距为L的平行金属导轨，置于磁感强度为B、方向垂直导轨所在平面向里的匀强磁场中，M、P间接有一阻值为R的电阻一根与导轨接触良好、阻值为R2的金属导线ab垂直导轨放置（1）若在外力作用下以速度v向右匀速滑动，试求ab两点间的电势差。（2）若无外力作用，以初速度v向右滑动，试求运动过程中产生的热量、通过ab电量以及ab发生的位移x。解析：（1）ab运动切割磁感线产生感应电动势E，所以ab相当于电源，与外电阻R构成回路。Uab=（2）若无外力作用则ab在安培力作用下做减速运动，最终静止。动能全部转化为电热。由动量定理得：即，。，。例2、如右图所示，一平面框架与水平面成37角，宽L=0.4 m，上、下两端各有一个电阻R01 ，框架的其他部分电阻不计，框架足够长.垂直于框平面的方向存在向上的匀强磁场，磁感应强度B2T.ab为金属杆，其长度为L0.4 m，质量m0.8 kg，电阻r0.5，棒与框架的动摩擦因数0.5.由静止开始下滑，直到速度达到最大的过程中，上端电阻R0产生的热量Q00.375J(已知sin370.6，cos37=0.8；g取10ms2)求：(1)杆ab的最大速度；(2)从开始到速度最大的过程中ab杆沿斜面下滑的距离；在该过程中通过ab的电荷量.解析：该题是一道考察电磁感应、安培力、闭合电路欧姆定律及力学有关知识的综合题，解题的关键是要正确分析金属杆的运动及受力的变化情况。（1） 杆ab达到平衡时的速度即为最大速度v，这时mgsinF =0，N=mgcosF=mg（sincos）总电阻，得克服磁场力所做的功数值上等于产生的总电能即，由动能定理：通过ab的电荷量，代入数据得q2 C2、杆与电容器连接组成回路例3、如图所示, 竖直放置的光滑平行金属导轨, 相距l , 导轨一端接有一个电容器, 电容量为C, 匀强磁场垂直纸面向里, 磁感应强度为B, 质量为m的金属棒ab可紧贴导轨自由滑动. 现让ab由静止下滑, 不考虑空气阻力, 也不考虑任何部分的电阻和自感作用. 问金属棒的做什么运动？棒落地时的速度为多大？ 解析：ab在mg 作用下加速运动，经时间 t ，速度增为v，a =v / t产生感应电动势 E=Bl v 电容器带电量 Q=CE=CBl v，感应电流I=Q/t=CBL v/ t=CBl a产生安培力F=BIl =CB2 l 2a，由牛顿运动定律 mg-F=mama= mg - CB2 l 2a ，a= mg / (m+C B2 l 2)ab做初速为零的匀加直线运动, 加速度 a= mg / (m+C B2 l 2)落地速度为abCv0例4、光滑U型金属框架宽为L，足够长，其上放一质量为m的金属棒ab，左端连接有一电容为C的电容器，现给棒一个初速v0，使棒始终垂直框架并沿框架运动，如图所示。求导体棒的最终速度。解析：当金属棒ab做切割磁力线运动时，要产生感应电动势，这样，电容器C将被充电，ab棒中有充电电流存在，ab棒受到安培力的作用而减速，当ab棒以稳定速度v匀速运动时，有：BLv=UC=q/C而对导体棒ab利用动量定理可得：-BLq=mv-mv0 由上述二式可求得： 3、杆与电源连接组成回路例5、如图所示，长平行导轨PQ、MN光滑，相距m，处在同一水平面中，磁感应强度B=0.8T的匀强磁场竖直向下穿过导轨面横跨在导轨上的直导线ab的质量m =0.1kg、电阻R =0.8，导轨电阻不计导轨间通过开关S将电动势E =1.5V、内电阻r =0.2的电池接在M、P两端，试计算分析：（1）在开关S刚闭合的初始时刻，导线ab的加速度多大？随后ab的加速度、速度如何变化？（2）在闭合开关S后，怎样才能使ab以恒定的速度 =7.5m/s沿导轨向右运动？试描述这时电路中的能量转化情况（通过具体的数据计算说明）解析（1）在S刚闭合的瞬间，导线ab速度为零，没有电磁感应现象，由a到b的电流，ab受安培力水平向右，此时瞬时加速度 ab运动起来且将发生电磁感应现象ab向右运动的速度为时，感应电动势，根据右手定则，ab上的感应电动势（a端电势比b端高）在闭合电路中与电池电动势相反电路中的电流（顺时针方向，）将减小（小于I0=1.5A），ab所受的向右的安培力随之减小，加速度也减小尽管加速度减小，速度还是在增大，感应电动势E随速度的增大而增大，电路中电流进一步减小，安培力、加速度也随之进一步减小，当感应电动势与电池电动势E相等时，电路中电流为零，ab所受安培力、加速度也为零，这时ab的速度达到最大值，随后则以最大速度继续向右做匀速运动设最终达到的最大速度为m，根据上述分析可知：所以m/s=3.75m/s（2）如果ab以恒定速度m/s向右沿导轨运动，则ab中感应电动势V=3V由于，这时闭合电路中电流方向为逆时针方向，大小为：A=1.5A直导线ab中的电流由b到a，根据左手定则，磁场对ab有水平向左的安培力作用，大小为N=0.6N所以要使ab以恒定速度m/s向右运动，必须有水平向右的恒力N作用于ab上述物理过程的能量转化情况，可以概括为下列三点：作用于ab的恒力（F）的功率：W=4.5W电阻（R +r）产生焦耳热的功率：W=2.25W逆时针方向的电流，从电池的正极流入，负极流出，电池处于“充电”状态，吸收能量，以化学能的形式储存起来电池吸收能量的功率：W=2.25W由上看出，符合能量转化和守恒定律（沿水平面匀速运动机械能不变）二、“双杆”滑切割磁感线型1、双杆所在轨道宽度相同常用动量守恒求稳定速度Bv0Lacdb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。例7、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=0.50。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？乙 甲F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v1t，杆乙移动距离v2t，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2、双杆所在轨道宽度不同常用动量定理找速度关系aa/bb/dd/cc/efgh例8、如图所示，abcd和a/b/c/d/为水平放置的光滑平行导轨，区域内充满方向竖直向上的匀强磁场。ab、a/b/间的宽度是cd、c/d/间宽度的2倍。设导轨足够长，导体棒ef的质量是棒gh的质量的2倍。现给导体棒ef一个初速度v0，沿导轨向左运动，当两棒的速度稳定时，两棒的速度分别是多少？解析：当两棒的速度稳定时，回路中的感应电流为零，设导体棒ef的速度减小到v1， 导体棒gh的速度增大到v2，则有2BLv1-BLv2=0，即v2=2v1。对导体棒ef由动量定理得： 对导体棒gh由动量定理得：。由以上各式可得：。3、磁场方向与导轨平面不垂直FBabdcef12例9、如图所示，ab和cd是固定在同一水平面内的足够长平行金属导轨，ae和cf是平行的足够长倾斜导轨，整个装置放在竖直向上的匀强磁场中。在水平导轨上有与导轨垂直的导体棒1，在倾斜导轨上有与导轨垂直且水平的导体棒2，两棒与导轨间接触良好，构成一个闭合回路。已知磁场的磁感应强度为B，导轨间距为L，倾斜导轨与水平面夹角为，导体棒1和2质量均为m，电阻均为R。不计导轨电阻和一切摩擦。现用一水平恒力F作用在棒1上，从静止开始拉动棒1，同时由静止开始释放棒2，经过一段时间，两棒最终匀速运动。忽略感应电流之间的作用，试求：（1）水平拉力F的大小；（2）棒1最终匀速运动的速度v1的大小。解析（1）1棒匀速：2棒匀速：解得：（2）两棒同时达匀速状态，设经历时间为t，过程中平均感应电流为，据动量定理，对1棒：；对2棒：联立解得：匀速运动后，有：， 解得：三、轨道滑模型例10、如图所示，abcd为质量m的U形导轨，ab与cd平行，放在光滑绝缘的水平面上，另有一根质量为m的金属棒PQ平行bc放在水平导轨上，PQ棒右边靠着绝缘竖直光滑且固定在绝缘水平面上的立柱e、f,U形导轨处于匀强磁场中，磁场以通过e、f的O1O2为界，右侧磁场方向竖直向上，左侧磁场方向水平向左，磁感应强度大小都为B，导轨的bc段长度为L,金属棒PQ的电阻R，其余电阻均可不计，金属棒PQ与导轨间的动摩擦因数为，在导轨上作用一个方向向右，大小F=mg的水平拉力，让U形导轨从静止开始运动设导轨足够长求： (1)导轨在运动过程中的最大速度m (2)若导轨从开始运动到达到最大速度m的过程中，流过PQ棒的总电量为q，则系统增加的内能为多少?解析：(1)当导轨的加速度为零时，导轨速度最大为m。导轨在水平方向上受到外力F、水平向左的安培力F1和滑动摩擦力F2，则，即以PQ棒为研究对象，PQ静止，在竖直方向上受重力mg、竖直向上的支持力N和安培力F3，则，得，将F1和F2代入解得，得(2)设导轨从开始运动到达到最大速度的过程中，移动的距离为S，在这段过程中，经过的时间为t,PQ棒中的平均电流强度为I1，QPbC回路中的平均感应电动势为E1，则，得。设系统增加的内能为，由功能关系得：，则 莈袃肇膆莇羅节蒅莆蚅肅莁莅螇芁芇蒄袀肄膃蒃羂袆蒁蒃蚁肂蒇蒂袄袅莃蒁羆膀艿蒀蚆羃膅葿螈膈蒄蒈袀羁莀薇羃膇芆薇蚂羀膂薆螅膅肈薅羇羈蒇薄蚇芃莂薃蝿肆芈薂袁节膄薁羄肄蒃蚁蚃袇荿蚀螅肃芅虿袈袆膁蚈蚇肁膇蚇螀羄蒆蚆袂腿莂蚅羄羂芈蚅蚄膈膄螄螆羀蒂螃衿膆莈螂羁罿芄螁螁膄芀莈袃肇膆莇羅节蒅莆蚅肅莁莅螇芁芇蒄袀肄膃蒃羂袆蒁蒃蚁肂蒇蒂袄