高考物理 电磁感应 滑轨模型

1高考物理电磁感应滑轨模型一、“单杆”滑切割磁感线型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R／2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=232RBLvBLvRR（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,221mvQ。由动量定理得：mvFt即mvBILt，Itq∴BLmvq。3322BLxmvqBLRR，得2223LBmvRx。例2、如右图所示，一平面框架与水平面成37°角，宽L=0.4m，上、下两端各有一个电阻R0＝1Ω，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B＝2T.ab为金属杆，其长度为L＝0.4m，质量m＝0.8kg，电阻r＝0.5Ω，棒与框架的动摩擦因数μ＝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Q0＝0.375J(已知sin37°＝0.6，cos37°=0.8；g取10m／s2)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，220cos02BLvmgRrmgsin解得022(sincos)()22.5RmgrmvsBL2(2)220000(2)(2)22abRabQIrIQ导线产生热量克服安培力等于产生的总电能即，JQQQW5.12200，由动能定理：21sincos02mgsWmgsmv得)cos(sin212mgWmvs通过ab的电荷量RBLstIq，代入数据得q＝2C关键：在于能量观，通过做功求位移。2、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从高h处由静止下滑,不考虑空气阻力,也不考虑任何部分的电阻和自感作用.求金属棒下落的时间？问金属棒的做什么运动？棒落地时的速度为多大？解析：I=0,安培力为0，自由下落212,,,22haghgttvghg，请问解答是否正确？正确解析：棒加速下落过程，电容器有充电电流，安培力不为0.电容器充电电流QCUCBLvICBlattt由牛顿运动定律mgBILma加速度22mgamcBL为定值，杆匀加速下落，222122(),2hhmCBLhattamg解得落地速度为例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，临界为当ab棒电动势等于电容器的电压时以稳定速度v匀速运动时，有：abCv02222lCBmmghahv3BLv=q/C而对导体棒ab利用动量定理可得：-BILt=-BLq=mv-mv0由上述二式可求得：CLBmmvv220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5.0lm，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=0.8Ω，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=0.2Ω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υ=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ArREI5.10，ab受安培力水平向右，此时瞬时加速度2000/6smmLBImFaab运动起来且将发生电磁感应现象．ab向右运动的速度为υ时，感应电动势BlvE'，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，rREEI'）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'E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υm，根据上述分析可知：0mEBl所以1.50.80.5mEBlm/s=3.75m/s．（2）如果ab以恒定速度7.5m/s向右沿导轨运动，则ab中感应电动势5.75.08.0'BlvEV=3V由于'E＞E，这时闭合电路中电流方向为逆时针方向，大小为：2.08.05.13''rREEIA=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5.15.08.0''BlIFN=0.6N所以要使ab以恒定速度5.7vm/s向右运动，必须有水平向右的恒力6.0FN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：4①作用于ab的恒力（F）的功率：5.76.0FvPW=4.5W②电阻（R+r）产生焦耳热的功率：)2.08.0(5.1)(22'rRIPW=2.25W③逆时针方向的电流'I，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：''1.51.5PIEW=2.25W由上看出，'''PPP，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，磁通量变小，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．临界状态下：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mvmv20根据能量守恒，整个过程中产生的总热量2022041)2(2121mvvmmvQ（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：10043mvvmmv。此时回路中的感应电动势和感应电流分别为：BLvvE)43(10，REI2。此时cd棒所受的安培力：IBLF，所以cd棒的加速度为mFa由以上各式，可得mRvLBa4022。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=0.50Ω。在t=0时刻，两杆都处于静止状态。现有一Bv0Lacdb5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tlvvlxttvtvxS)(])[(2112由法拉第电磁感应定律，回路中的感应电动势tSBE回路中的电流REi2，杆甲的运动方程maBliF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0(t时为0）等于外力F的冲量21mvmvFt。联立以上各式解得)](2[21211maFFBRmFv)](2[212212maFIBRmFv，代入数据得smvsmv/85.1/15.8212、双杆所在轨道宽度不同——常用动量定理找速度关系如图所示，光滑导轨、等高平行放置，间宽度为间宽度的3倍，导轨右侧水平且处于竖直向上的匀强磁场中，左侧呈弧形升高。、是质量均为的金属棒，现让从离水平轨道高处由静止下滑，设导轨足够长。试求：(1)、棒的最终速度；(2)全过程中感应电流产生的焦耳热。乙甲F6【解析】下滑进入磁场后切割磁感线，在电路中产生感应电流，、各受不同的磁场力作用而分别作变减速、变加速运动，电路中感应电流逐渐减小，当感应电流为零时，、不再受磁场力作用，各自以不同的速度匀速滑动。(1)自由下滑，机械能守恒：①由于、串联在同一电路中，任何时刻通过的电流总相等，金属棒有效长度，故它们的磁场力为：②在磁场力作用下，、各作变速运动，产生的感应电动势方向相反，当时，电路中感应电流为零()，安培力为零，、运动趋于稳定，此时有：所以③、受安培力作用，动量均发生变化，由动量定理得：④⑤联立以上各式解得：，(2)根据系统的总能量守恒可得：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，aa/bb/dd/cc/efgh7则有2BLv1-BLv2=0，即v2=2v1。对导体棒ef由动量定理得：01222mvmvtIBL对导体棒gh由动量定理得：02mvtIBL。由以上各式可得：020132,31vvvv。例(04全国2)图中1111abcd和2222abcd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，磁场方向垂直导轨所在的平面(纸面)向里。导轨的11ab段与22ab段是竖直的．距离为小1l，11cd段与22cd段也是竖直的，距离为2l。11xy与22xy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1m和2m，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11xy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