2010经典物理模型：高考电磁学导棒问题归类分析.docVIP

电磁学导棒问题归类分析 近十年高考物理试卷和理科综合试卷，电磁学的导棒问题复现率高达100%(除98年无纯导棒外)，且多为分值较大的计算题．为何导棒问题频繁复现，原因是：导棒问题是高中物理电磁学中常用的最典型的模型，常涉及力学和热学问题，可综合多个物理高考知识点．其特点是综合性强、类型繁多、物理过程复杂，有利于对学生综合运用所学的知识从多层面、多角度、全方位分析问题和解决问题的能力考查；导棒问题是高考中的重点、难点、热点、焦点问题． 导棒问题在磁场中大致可分为两类：一类是通电导棒，使之平衡或运动；其二是导棒运动切割磁感线生电．运动模型可分为单导棒和双导棒． (一)通电导棒问题 通电导棒题型，一般为平衡和运动型，对于通电导棒平衡型，要求考生用所学物体的平衡条件(包含∑F=0，∑M=0)来解答，而对于通电导棒的运动型，则要求考生用所学的牛顿运动定律、动量定理以及能量守恒结合在一起，加以分析、讨论，从而作出准确地解答． 例1：如图(1-1-1)所示，相距为d的倾角为α的光滑平行导轨(电源ε、r和电阻R均已知)处于竖直向上的匀强磁场B中，一质量为m的导棒恰能处于平衡状态，则该磁场B的大小为 ；当B由竖直向上逐渐变成水平向左的过程中，为保持棒始终静止不动，则B的大小应是 ．上述过程中，B的最小值是 ． 分析和解：此题主要用来考查考生对物体平衡条件的理解情况，同时考查考生是否能利用矢量封闭三角形或三角函数求其极值的能力． 将图(1-1-1)首先改画为从右向左看的侧面图，如图(1-1-2)所示，分析导棒受力，并建立直角坐标系进行正交分解，也可采用共点力的合成法来做． 根据题意∑F=0，即∑Fx=0；∑Fy=0；∑Fx=FB–Nsinα=0 ① ∑Fy=Fcosα–mg=0 ②，①/②得：③ 由安培力公式FB=BId ④；全电路区姆定律⑤， 联立③④⑤并整理可得 (2)借助于矢量封闭三角形来讨论，如图(1-1-3)在磁场由竖直向上逐渐变成水平的过程中，安培力由水平向右变成竖直向上，在此过程中，由图(1-1-3)看出FB先减小后增大，最终N=0，FB=mg，因而B也应先减小后增大． (3)由图(1-1-3)可知，当FB方向垂直于N的方向时FB最小，其B最小，故①，而②，③，联立①②③可得，即 评析：该题将物体的平衡条件作为重点，让考生将公式和图象有机地结合在一起，以达到简单快速解题的目的，其方法是值得提倡和借鉴的． (二)棒生电类： 棒生电类型是电磁感应中的最典型模型、生电方式分为平动切割和转动切割，其模型可分为单导棒和双导棒．要从静态到动态、动态到终态加以分析讨论，其分析动态是关键．对于动态分析，可从以下过程考虑：闭合电路中的磁通量发生变化导体产生感应电流导体受安培力和其他力作用导体加速度变化速度变化感应电流变化周而复始地循环最后加速度减小至零速度达到最大导体做匀速直线运动．我们知道，电磁感应现象的实质是不同形式能量的转化过程，因此，由功能观点切入，分清楚电磁感应过程中能量转化关系，往往是我们解决电磁感应问题的关键，当然也是我们处理这类题型的有效途径． 1、单导棒问题 例1：(2001年全国高考试题)如图(2-1-1)所示，一对平行光滑轨道放置在水平面上，两轨道间距L=0.20m，电阻R=1.0Ω；有一导棒静止地放在轨道上，与两轨道垂直，棒及轨道的电阻皆可忽略不计，整个装置处于磁感应强度B=0.50T的匀强磁场中，磁场方向垂直轨道面向下．现用一外力F沿轨道方向拉棒，使之做匀加速运动，测得力F与时间t的关系如图(2-1-2)所示．求棒的质量m和加速度a． 分析和解：此题主要用来考查学生对基本公式掌握的情况，是否能熟练将力电关系式综合在一起，再根据图象得出其a和m值．从图中找出有用的隐含条件是解答本题的关键． 解法一：导棒在轨道上做匀加速直线运动，用v表示其速度，t表示时间，则有v=at ①，棒切割磁感线，产生感应电动势②，在棒、轨道和电阻的闭合电路中产生感应电流③，杆所受安培力FB=BIL ④，再由牛顿第二定律∑F=ma故F–FB=ma ⑤，联立求解①~⑤式得⑥．在图线上取两点代入⑥式，可得a=10m/s2，m=0.1kg． 解法二：从F–t图线可建立方程 F=1+0.1t ①，棒受拉力F和安培力FB作用，做匀加速直线运动，其合力不随时间t变化，并考虑初始状态FB=0，因而FB的大小为FB=0.1t ②，再由牛顿第二定律：∑F=ma有F–FB=ma ③，联立①②③可得ma=1 ④．又∵FB=BIL ⑤，而⑥，⑦，联立⑤⑥⑦得⑧，而v=at，故⑨，②/⑨得：⑩，再由④与⑩式得． 评析：解法一采用了物理思维