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专题强化二十三电磁感应中的动力学和能量问题
学习目标1.学会用动力学知识分析导体棒在磁场中的运动问题。2.会用功能关系和能量守恒定律分析电磁感应中的能量转化。
考点一电磁感应中的动力学问题
1.两种状态及处理方法
状态
特征
处理方法
平衡态
加速度为零
根据平衡条件列式分析
非平衡态
加速度不为零
根据牛顿第二定律结合运动学公式进行分析
2.基本思路
eq\x(\a\al(导体受外,力运动))eq\o(――→,\s\up7(E=BLv))eq\x(\a\al(感应电,动势))eq\o(――――→,\s\up20(I=\f(E,R+r)))eq\x(\a\al(感应,电流))eq\o(――→,\s\up7(F=ILB))
eq\x(\a\al(导体,受安,培力))→eq\x(\a\al(合力,变化))eq\o(――→,\s\up7(F合=ma))eq\x(\a\al(加速度,变化))→eq\x(\a\al(速度,变化))→eq\x(\a\al(临界,状态))
角度“单棒+电阻”模型
例1(2024·云南昆明模拟)如图1(a)所示,两根不计电阻、间距为L的足够长平行光滑金属导轨,竖直固定在匀强磁场中,磁场方向垂直于导轨平面向里,磁感应强度大小为B。导轨上端串联非线性电子元件Z和阻值为R的电阻。元件Z的U-I图像如图(b)所示,当流过元件Z的电流大于或等于I0时,电压稳定为Um。质量为m、不计电阻的金属棒可沿导轨运动,运动中金属棒始终水平且与导轨保持良好接触。忽略空气阻力及回路中的电流对原磁场的影响,重力加速度为g。为了方便计算,取I0=eq\f(mg,4BL),Um=eq\f(mgR,2BL)。以下计算结果只能选用m、g、B、L、R表示。
图1
(1)闭合开关S,由静止释放金属棒,求金属棒下落的最大速度v1;
(2)断开开关S,由静止释放金属棒,求金属棒下落的最大速度v2。
答案(1)eq\f(mgR,B2L2)(2)eq\f(3mgR,2B2L2)
解析(1)闭合开关S,金属棒下落的过程中受竖直向下的重力、竖直向上的安培力作用,当重力与安培力大小相等时,金属棒的加速度为零,速度最大,则
mg=I1LB
由法拉第电磁感应定律得E1=BLv1
由闭合电路欧姆定律得I1=eq\f(E1,R)
解得v1=eq\f(mgR,B2L2)。
(2)由第(1)问得I1=eq\f(mg,BL)
由于I0I1
则断开开关S后,当金属棒的速度达到最大时,元件Z两端的电压恒为Um=eq\f(mgR,2BL)
此时定值电阻两端的电压为UR=BLv2-Um
回路中的电流为I2=I1
又由欧姆定律得I2=eq\f(UR,R)
解得v2=eq\f(3mgR,2B2L2)。
1.(多选)如图2甲所示,MN、PQ两条平行的光滑金属轨道与水平面成θ=30°角固定,间距为L=1m,质量为m的金属杆ab垂直放置在轨道上且与轨道接触良好,其阻值忽略不计。空间存在匀强磁场,磁场方向垂直于轨道平面向上,磁感应强度为B=0.5T。P、M间接有阻值为R1的定值电阻,Q、N间接电阻箱R。现从静止释放ab,改变电阻箱的阻值R,测得最大速度为vm,得到eq\f(1,vm)与eq\f(1,R)的关系如图乙所示。若轨道足够长且电阻不计,重力加速度g取10m/s2,则()
图2
A.金属杆中感应电流方向为由a到b
B.金属杆所受的安培力的方向沿轨道向上
C.金属杆的质量为1kg
D.定值电阻的阻值为1Ω
答案BD
解析根据右手定则判断,金属杆中感应电流方向为由b到a,故A错误;由左手定则可知,金属杆所受的安培力沿轨道向上,故B正确;总电阻为R总=eq\f(RR1,R+R1),通过ab的电流为I=eq\f(BLv,R总),当达到最大速度时,金属杆受力平衡,则有mgsinθ=ILB=eq\f(B2L2vm,R1R)(R1+R),变形得eq\f(1,vm)=eq\f(B2L2,mgsinθ)·eq\f(1,R)+eq\f(B2L2,mgR1sinθ),由图像得eq\f(B2L2,mgsinθ)=k=eq\f(3-0.5,5-0)s·m-1·Ω,eq\f(B2L2,mgR1sinθ)=b=0.5s·m-1,解得m=0.1kg,R1=1Ω,故C错误,D正确。
角度“单棒+电容器”模型
棒的初速度为零,拉力F恒定(棒和水平导轨电阻忽略不计,摩擦力不计)
如图3,运动过程分析:棒做加速运动,持续对电容器充电,则存在充电电流
图3
由F-ILB=ma,I=eq\f(ΔQ,Δt),
ΔQ=CΔU,ΔU=ΔE=BLΔv
联立可得F-eq\f(CB2L2Δv,Δt)=ma,
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