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1、專題九 電磁感應中的動力學和能量問題
【專題解讀】
1.本專題是動力學觀點和能量觀點在電磁感應中的綜合應用,高考常以計算題的形式命題.
2.學好本專題,可以極大培養(yǎng)同學們的分析能力、推理能力和規(guī)范表達的能力,針對性的專題強化,可以提升同學們解決電磁感應問題中最難問題的信心.
3.用到的知識有:法拉第電磁感應定律、楞次定律、牛頓運動定律、共點力的平衡條件、動能定理、焦耳定律、能量守恒定律等.
考點精講
考向一 電磁感應中的動力學問題
1.題型簡述:感應電流在磁場中受到安培力的作用,因此電磁感應問題往往跟力學問題聯系在一起.解決這類問題需要綜合應用電磁感應規(guī)律(法拉第電磁感應定律、楞
2、次定律)及力學中的有關規(guī)律(共點力的平衡條件、牛頓運動定律、動能定理等).
2.兩種狀態(tài)及處理方法
狀態(tài)
特征
處理方法
平衡態(tài)
加速度為零
根據平衡條件列式分析
非平衡態(tài)
加速度不為零
根據牛頓第二定律進行動態(tài)分析或結合功能關系進行分析
3.動態(tài)分析的基本思路
解決這類問題的關鍵是通過運動狀態(tài)的分析,尋找過程中的臨界狀態(tài),如速度、加速度最大值或最小值的條件.具體思路如下:
→→→
【例1】 如圖1所示,兩條相距l(xiāng)的光滑平行金屬導軌位于同一水平面(紙面)內,其左端接一阻值為R的電阻;一與導軌垂直的金屬棒置于兩導軌上;在電阻、導軌和金屬棒中間有一面積為S的區(qū)域
3、,區(qū)域中存在垂直于紙面向里的均勻磁場,磁感應強度大小B1隨時間t的變化關系為B1=kt,式中k為常量;在金屬棒右側還有一勻強磁場區(qū)域,區(qū)域左邊界MN(虛線)與導軌垂直,磁場的磁感應強度大小為B0,方向也垂直于紙面向里.某時刻,金屬棒在一外加水平恒力的作用下從靜止開始向右運動,在t0時刻恰好以速度v0越過MN,此后向右做勻速運動.金屬棒與導軌始終相互垂直并接觸良好,它們的電阻均忽略不計.求:
圖1
(1)在t=0到t=t0時間間隔內,流過電阻的電荷量的絕對值;
(2)在時刻t(t>t0)穿過回路的總磁通量和金屬棒所受外加水平恒力的大?。?
【答案】(1)
(2)B0lv0(t-t0)
4、+kSt (B0lv0+kS)
勻強磁場穿過回路的磁通量為
Φ′=B0ls⑩
回路的總磁通量為
階梯練習
1.(多選)如圖2所示,兩根足夠長、電阻不計且相距L=0.2 m的平行金屬導軌固定在傾角θ=37°的絕緣斜面上,頂端接有一盞額定電壓U=4 V的小燈泡,兩導軌間有一磁感應強度大小B=5 T、方向垂直斜面向上的勻強磁場.今將一根長為L、質量為m=0.2 kg、電阻r=1.0 Ω的金屬棒垂直于導軌放置在頂端附近無初速度釋放,金屬棒與導軌接觸良好,金屬棒與導軌間的動摩擦因數μ=0.25,已知金屬棒下滑到速度穩(wěn)定時,小燈泡恰能正常發(fā)光,重力加速度g取10 m/s2,sin 3
5、7°=0.6,cos 37°=0.8,則( )
圖2
A.金屬棒剛開始運動時的加速度大小為3 m/s2
B.金屬棒剛開始運動時的加速度大小為4 m/s2
C.金屬棒穩(wěn)定下滑時的速度大小為9.6 m/s
D.金屬棒穩(wěn)定下滑時的速度大小為4.8 m/s
【答案】BD
【解析】金屬棒剛開始運動時初速度為零,不受安培力作用,由牛頓第二定律得mgsin θ-μmgcos θ=ma,代入數據得a=4 m/s2,故選項A錯誤,B正確;設金屬棒穩(wěn)定下滑時速度為v,感應電動勢為E,回路中的電流為I,由平衡條件得mgsin θ=BIL+μmgcos θ,由閉合電路歐姆定律得I=,由法拉第電磁感
6、應定律得E=BLv,聯立解得v=4.8 m/s,故選項C錯誤,D正確.
2. (多選)兩根足夠長的平行光滑導軌豎直固定放置,頂端接一電阻R,導軌所在平面與勻強磁場垂直.將一金屬棒與下端固定的輕彈簧的上端拴接,金屬棒和導軌接觸良好,重力加速度為g,如圖所示.現將金屬棒從彈簧原長位置由靜止釋放,則( )
A.金屬棒在最低點的加速度小于g
B.回路中產生的總熱量等于金屬棒重力勢能的減少量
C.當彈簧彈力等于金屬棒的重力時,金屬棒下落速度最大
D.金屬棒在以后運動過程中的最大高度一定低于靜止釋放時的高度
【答案】AD
3.如圖3所示,水平面(紙面)內間距為l的平行金屬導軌間接一
7、電阻,質量為m、長度為l的金屬桿置于導軌上.t=0時,金屬桿在水平向右、大小為F的恒定拉力作用下由靜止開始運動.t0時刻,金屬桿進入磁感應強度大小為B、方向垂直于紙面向里的勻強磁場區(qū)域,且在磁場中恰好能保持勻速運動.桿與導軌的電阻均忽略不計,兩者始終保持垂直且接觸良好,兩者之間的動摩擦因數為μ.重力加速度大小為g.求:
圖3
(1)金屬桿在磁場中運動時產生的電動勢的大??;
(2)電阻的阻值.
【答案】(1)Blt0(-μg) (2)
【解析】(1)設金屬桿進入磁場前的加速度大小為a,由牛頓第二定律得
F-μmg=ma①
考向二 電磁感應中的動力學和能量問題
1.題型
8、簡述:電磁感應過程的實質是不同形式的能量轉化的過程,而能量的轉化是通過安培力做功來實現的.安培力做功的過程,是電能轉化為其他形式的能的過程;外力克服安培力做功的過程,則是其他形式的能轉化為電能的過程.
2.解題的一般步驟
(1)確定研究對象(導體棒或回路);
(2)弄清電磁感應過程中,哪些力做功,哪些形式的能量相互轉化;
(3)根據能量守恒定律或功能關系列式求解.
3.求解電能應分清兩類情況
(1)若回路中電流恒定,可以利用電路結構及W=UIt或Q=I2Rt直接進行計算.
(2)若電流變化,則
①利用安培力做功求解:電磁感應中產生的電能等于克服安培力所做的功;
②利用能量守恒
9、求解:若只有電能與機械能的轉化,則減少的機械能等于產生的電能.
【例2】 如圖4甲,在水平桌面上固定著兩根相距L=20 cm、相互平行的無電阻軌道P、Q,軌道一端固定一根電阻R=0.02 Ω的導體棒a,軌道上橫置一根質量m=40 g、電阻可忽略不計的金屬棒b,兩棒相距也為L=20 cm.該軌道平面處在磁感應強度大小可以調節(jié)的豎直向上的勻強磁場中.開始時,磁感應強度B0=0.1 T.設棒與軌道間的最大靜摩擦力等于滑動摩擦力,g取10 m/s2.
圖4
(1)若保持磁感應強度B0的大小不變,從t=0時刻開始,給b棒施加一個水平向右的拉力,使它由靜止開始做勻加速直線運動.此拉力F的大小隨
10、時間t變化關系如圖乙所示.求b棒做勻加速運動的加速度及b棒與軌道間的滑動摩擦力;
(2)若從t=0開始,磁感應強度B隨時間t按圖丙中圖象所示的規(guī)律變化,求在金屬棒b開始運動前,這個裝置釋放的熱量.
關鍵詞①勻加速直線運動;②金屬棒b開始運動前.
【答案】(1)5 m/s2 0.2 N (2)0.036 J
方法總結
能量轉化問題的分析程序:先電后力再能量
階梯練習
3.(2016·浙江理綜·24)小明設計的電磁健身器的簡化裝置如圖5所示,兩根平行金屬導軌相距l(xiāng)=0.50 m,傾角θ=53°,導軌上端串接一個R=0.05 Ω的電阻.在導軌間長d=0.56 m的區(qū)域內
11、,存在方向垂直導軌平面向下的勻強磁場,磁感應強度B=2.0 T.質量m=4.0 kg的金屬棒CD水平置于導軌上,用絕緣繩索通過定滑輪與拉桿GH相連.CD棒的初始位置與磁場區(qū)域的下邊界相距s=0.24 m.一位健身者用恒力F=80 N拉動GH桿,CD棒由靜止開始運動,上升過程中CD棒始終保持與導軌垂直.當CD棒到達磁場上邊界時健身者松手,觸發(fā)恢復裝置使CD棒回到初始位置(重力加速度g=10 m/s2,sin 53°=0.8,不計其他電阻、摩擦力以及拉桿和繩索的質量).求:
圖5
(1)CD棒進入磁場時速度v的大小;
(2)CD棒進入磁場時所受的安培力FA的大??;
(3)在拉升CD棒的
12、過程中,健身者所做的功W和電阻產生的焦耳熱Q.
【答案】(1)2.4 m/s (2)48 N (3)64 J 26.88 J
【解析】(1)由牛頓第二定律得a==12 m/s2
進入磁場時的速度v==2.4 m/s
4.如圖6所示,兩根足夠長的平行金屬導軌固定在傾角θ=30°的斜面上,導軌電阻不計,間距L=0.4 m,導軌所在空間被分成區(qū)域Ⅰ和Ⅱ,兩區(qū)域的邊界與斜面的交線為MN.Ⅰ中的勻強磁場方向垂直斜面向下,Ⅱ中的勻強磁場方向垂直斜面向上,兩磁場的磁感應強度大小均為B=0.5 T.在區(qū)域Ⅰ中,將質量m1=0.1 kg、電阻R1=0.1 Ω的金屬條ab放在導軌上,ab剛好不下滑.然
13、后,在區(qū)域Ⅱ中將質量m2=0.4 kg、電阻R2=0.1 Ω的光滑導體棒cd置于導軌上,由靜止開始下滑.cd在滑動過程中始終處于區(qū)域Ⅱ的磁場中,ab、cd始終與導軌垂直且兩端與導軌保持良好接觸,取g=10 m/s2,問:
圖6
(1)cd下滑的過程中,ab中的電流方向;
(2)ab剛要向上滑動時,cd的速度v為多大;
(3)從cd開始下滑到ab剛要向上滑動的過程中,cd滑動的距離x=3.8 m,此過程中ab上產生的熱量Q是多少.
【答案】(1)由a流向b (2)5 m/s (3)1.3 J
【解析】(1)由右手定則可判斷出cd中的電流方向為由d到c,則ab中電流方向為由a流
14、向b.
(2)開始放置時ab剛好不下滑,ab所受摩擦力為最大靜摩擦力,設其為Fmax,有Fmax=m1gsin θ①
設ab剛要上滑時,cd棒的感應電動勢為E,由法拉第電磁感應定律有E=BLv②
設電路中的感應電流為I,由閉合電路歐姆定律有
I=③
設ab所受安培力為F安,有F安=BIL④
此時ab受到的最大靜摩擦力方向沿斜面向下,由平衡條件有F安=m1gsin θ+Fmax⑤
綜合①②③④⑤式,代入數據解得v=5 m/s
(3)設cd棒運動過程中在電路中產生的總熱量為Q總,由能量守恒定律有m2gxsin θ=Q總+m2v2
又Q=Q總
解得Q=1.3 J
5.如圖甲所示
15、,平行長直導軌MN、PQ水平放置,兩導軌間距L=0.5 m,導軌左端M、P間接有一阻值R=0.2 Ω的定值電阻,導體棒ab的質量m=0.1 kg,與導軌間的動摩擦因數μ=0.1,導體棒垂直于導軌放在距離左端d=1.0 m處,導軌和導體棒始終接觸良好,電阻均忽略不計.整個裝置處在范圍足夠大的勻強磁場中,t=0時刻,磁場方向豎直向下,此后,磁感應強度B隨時間t的變化如圖乙所示,不計感應電流產生的磁場的影響.取重力加速度g=10 m/s2.
(1)求t=0時棒所受到的安培力F0;
(2)分析前3 s時間內導體棒的運動情況并求前3 s內棒所受的摩擦力Ff隨時間t變化的關系式;
(3)若t=3
16、 s時,突然使ab棒獲得向右的速度v0=8 m/s,同時垂直棒施加一方向水平、大小可變化的外力F,使棒的加速度大小恒為a=4 m/s2、方向向左.求從t=3 s到t=4 s的時間內通過電阻的電荷量q.
【答案】(1)0.025 N (2)靜止不動 Ff=0.012 5(2-t)N(t<3 s) (3)1.5 C
代入數據可得Ff=0.012 5(2-t)N(t<3 s)
(3)3~4 s內磁感應強度大小恒為B2=0.1 T,ab棒做勻變速直線運動,Δt1=4 s-3 s=1 s
設t=4 s時棒的速度為v,第4 s內的位移為x,則
v=v0-aΔt1=4 m/s
x=Δt1=6
17、 m
在這段時間內的平均感應電動勢=
通過電阻的電荷量q= Δt1=Δt1==1.5 C
6.如圖所示,一對足夠長的平行光滑金屬導軌固定在水平面上,兩導軌間距為L,左端接一電源,其電動勢為E、內阻為r,有一質量為m、長度也為L的金屬棒置于導軌上,且與導軌垂直,金屬棒的電阻為R,導軌電阻可忽略不計,整個裝置處于磁感應強度為B,方向豎直向下的勻強磁場中.
(1)若閉合開關S的同時對金屬棒施加水平向右恒力F,求棒即將運動時的加速度和運動過程中的最大速度;
(2)若開關S開始是斷開的,現對靜止的金屬棒施加水平向右的恒力F,一段時間后再閉合開關S;要使開關S閉合瞬間棒的加速度大小為,則F需作用多長時間.
【答案】(1)LB+?。?
(2)或+
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