2011届高中物理二轮复习第15讲专题6D电磁感应与力学的综合问题.ppt

物理物理（广东） 1 专题六 电路、电与磁的转化 2 1电磁感应中产生的感应电流，在磁场中将受到安培 力的作用，因此，电磁感应问题往往跟力学问题联系在 一起 2解决这类电磁感应中的力学问题，一方面要考虑电 磁学中的有关规律，如楞次定律、法拉第电磁感应定律 、左手定则、右手定则、安培力的计算公式等；另一方 面还要考虑力学中的有关规律，如牛顿运动定律、动能 定理、能量守恒定律等，要将电磁学和力学的知识综合 起来应用 3 3解决这类问题的一般思路是：根据电磁感应现象 感应电动势感应电流安培力合力加速度速度 感应电动势周而复始地循环注意：当导体运动 达到稳定时，a=0，速度达到最大值(临界值) 4两种状态处理 导体处于平衡态静止或匀速直线运动状态 处理方法：根据平衡条件合外力等于零列式分析 导体处于非平衡态加速度不等于零 处理方法：根据牛顿第二定律进行动态分析，或结合功能 关系分析 4 1电磁感应中的动力学问题 （1） (2 ) 电学对象 电源：E=Blv或E= 电路：E=I(R+r)=U外+U内5 （3）在力和运动的关系中，要注意分析导体受力， 判断导体加速度方向、大小及变化；加速度等于 零时，速度最大，导体最终达到稳定状态是该类 问题的重要特点 6 【例1】 边长为h的正方形金属导线框，从图631 所示的 位置由静止开始下落，通过一匀强磁场区域，磁场方向水 平，且垂直于线框平面，磁场区域宽度为H，上、下边界 如图中虚线所示，Hh，试分析讨论从线框开始下落到完 全穿过磁场区域的全过程中线框运动速度的变化情况 7 8 9 当Fh可知，线框将有一 段时间全部处于匀强磁场区，此时线框磁通量不变， 无感应电流，不受安培力作用，该段时间内线框将以 加速度g做匀加速运动； 当线框下边界运动至磁场下边界时，分析同. 10 本题的最大的特点是电磁学知识与力学知识相 结合这类综合题本质上是一道力学题，只不 过在受力上多了一个感应电流受到的安培力 分析问题的基本思路还是力学解题的那些规律 在运用牛顿第二定律与运动学结合解题时， 分析加速度与初速度的关系是解题最关键的第 一步因为加速度与初速度的关系决定了物体 的运动 11 【例2】如图632 所示，电阻不计的平行金属导轨 MN和OP水平放置，MO间接有阻值为R的电阻，导 轨相距为d，其间有竖直向下的匀强磁场，磁感应强 度为B，质量为m、电阻为r的导体棒CD垂直于导轨 放置，并接触良好用平行于MN的恒力F向右拉动 CD，CD受恒定的摩擦阻力f，已知Ff.问： (1)CD运动的最大速度是多少？ (2)当CD的速度是最大速度的1/3时， CD的加速度是 多少？ 12 (2)当CD速度为最大速度的1/3，即v=1/3 时，CD中 的电流为最大值的1/3；即I=1/3I，则CD棒所受的安 培力为： CD棒的加速度为： . (1)以金属棒为研究对象，受力分析如图所示，当 CD受力：F=FA+f时，导体棒CD速度最大，即： F=BId+f= +f 得：vm= . 13 对受力物体作受力分析时，要注意安培 力随速度变化而变化的情况 14 2电磁感应中的能量转化综合问题 (1)安培力做的功是电能和其他形式的能之间 相互转化的“桥梁”，用框图表示如下： 安培力做的功是电能与其他形式的能转化的量 度安培力做多少正功，就有多少电能转化为 其他形式的能；安培力做多少负功，就有多少 其他形式的能转化为电能 15 (2)明确功能关系，确定有哪些形式的能量发生 了转化如有滑动摩擦力做功，必有内能产生 ；有重力做功，重力势能必然发生变化；安培 力做负功，必然有其他形式的能转化为电能等 (3)根据不同物理情景选择动能定理，能量守 恒定律，功能关系列方程求解 2电磁感应中的能量转化综合问题 16 【例3】 如图633 所示，一边长为L的正方形闭合 金属线框，其质量为m，回路电阻为R，M、N、P为 磁场区域的边界，且均为水平，上、下两部分磁场的 磁感应强度均为B，方向如图所示图示所示位置线 框的底边与M重合现让线框由图示位置从静止开始 下落，线框在穿过N和P两界面的过程中均为匀速运动 若已知M、N之间的高度差为h1，h1L.线框下落过 程中线框平面始终保持竖直，底边始终保持水平，重 力加速度为g，求： (1)线框穿过N与P界面的速度； (2)在整个运动过程中，线框 产生的焦耳热 17 (1)在穿过N的过程中，根据法拉第电磁感应定 律，线框中产生的感应电动势 由闭合电路欧姆定律知，线框中产生的感应电 流 线框受到的安培力 由力的平衡知识得 ， 同理线框穿过P过程中的速度为： 18 (2)线框穿过M时产生的焦耳热 Q1=mgh1 线框穿过N或P时做匀速运动，所以重力克服安培 力做功，重力势能减少，减少的重力势能全部转化 为焦耳热，所以Q2=mgL， 共产生的焦耳热为 Q=Q1+2Q2=2mgL+mgh1 19 (1)利用功能关系分析电磁感应问题，首先应 对研究对象进行受力分析，判断各力做功情 况，有哪些形式的能参与了转化，分别写出 表达式，然后利用功能关系或能量守恒列式 求解 (2)解题的关键是根据力的平衡知识、电路知 识及法拉第电磁感应定律列出方程，再联立 求解 20 【例4】如图634 所示，两根正对的平行金属直 轨道MN、MN位于同一水平面上，两轨道之间的距 离l=0.50m.轨道的MM端之间接一阻值R=0.40的定 值电阻，NN端与两条位于竖直面内的半圆形光滑 金属轨道NP、NP平滑连接，两半圆轨道的半径均 为R0=0.50m.直轨道的右端处于竖直向下、磁感应强 度B=0.64T的匀强磁场中，磁场区域的宽度d=0.80m ，且其右边界与NN重合 21 现有一质量m=0.20kg、电阻r=0.10的导体杆ab静止 在距磁场的左边界s=2.0m处在与杆垂直的水平恒 力F=2.0N的作用下ab杆开始运动，当运动至磁场的 左边界时撤去F，结果导体杆ab恰好能以最小速度通 过半圆形轨道的最高点PP.已知导体杆ab在运动过程 中与轨道接触良好，且始终与轨道垂直，导体杆ab 与直轨道之间的动摩擦因数=0.10，轨道的电阻可忽 略不计，取g=10m/s2，(保留两位小数) 22 求：(1)导体杆刚进入磁场时，通过导体杆上的电流大 小和方向； (2)导体杆穿过磁场的过程中通过电阻R上的电荷量； (3)导体杆穿过磁场的过程中整个电路中产生的焦耳热 23 (1)设导体杆在F的作用下运动至磁场的左边界时 的速度为 ，根据动能定理则有 导体杆刚进入磁场时产生的感应电动势 此时通过导体杆上的电流大小 I=E/(R+r)=3.84A 根据右手定则可知，电流方向为由b向a 24 (2)设导体杆在磁场中运动的时间为t，产生的 感应电动势的平均值为，则由法拉第电磁感应 定律有 通过电阻R的感应电流的平均值 通过电阻R的电荷量 25 (3)设