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- 2021-05-22 发布
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一:专题概述
1. 模型构建
“杆+导轨”模型是电磁感应问题高考命题的“基本道具”,也是高考的热点,考查的知识点多,题目的综合性强,物理情景变化空间大.“杆+导轨”模型又分为“单杆”型和“双杆”型(重点考查“单杆”型);导轨放置方式可分为水平、竖直和倾斜;杆的运动状态可分为匀速、匀变速、非匀变速运动等.
2. 模型分类及特点
(1) 单杆水平式
匀强磁场与导轨垂直,磁感应强度为B,棒ab长为L,质量为m,初速度为零,拉力恒为F,水平导轨光滑,除电阻R外,其他电阻不计
设运动过程中某时刻棒的速度为v,由牛顿第二定律知棒ab的加速度为a=-,a、v同向,随速度的增加,棒的加速度a减小,当a=0时,v最大,I=恒定
运动形式
匀速直线运动
力学特征
a=0 v恒定不变
电学特征
I恒定
(2) 单杆倾斜式
匀强磁场与导轨垂直,磁感应强度为B,导轨间距L,导体棒质量m,电阻R,导轨光滑,电阻不计
棒ab释放后下滑,此时a=gsin α,棒ab的速度v↑感应电动势E=BLv↑电流I=↑安培力F=BIL↑加速度a↓,当安培力F=mgsin α时,a=0,v最大
运动形式
匀速直线运动
力学特征
a=0 v最大 vm=
电学特征
I恒定
二:典例精讲
典例1:如图所示,两根足够长、电阻不计的平行光滑金属导轨相距为L,导轨平面与水平面成θ角,质量均为m、阻值均为R的金属棒a、b紧挨着放在两导轨上,整个装置处于垂直于导轨平面的匀强磁场中,磁感应强度大小为B,以一平行于导轨平面向上的恒力F=2mgsinθ拉a棒,同时由静止释放b棒,直至b棒刚好匀速时,在此过程中通过棒的电量为q,棒与导轨始终垂直并保持良好接触,重力加速度为g。求:
(1)b棒刚好匀速时,a、b棒间的距离s;
(2)b棒最终的速度大小vb;
(3)此过程中a棒产生的热量Q。
【答案】(1);(2);(3)-
【解析】(1)根据法拉第电磁感应定律有= ①
根据闭合电路欧姆定律有
= ②
又q=Δt ③
得q===,解得
s= ④
(2)b棒匀速时有
BIL=mgsin θ ⑤
E=BL(va+vb) ⑥
I= ⑦
对a棒向上加速的任一时刻由牛顿第二定律得
F-BIL-mgsin θ=ma1,即
mgsin θ-BIL=ma1 ⑧
对b棒向下加速的任一时刻由牛顿第二定律得
mgsin θ-BIL=ma2 ⑨
由⑧⑨式可得a1=a2,
故a、b棒运动规律相似,速度同时达到最大,且最终
va=vb ⑩
由⑤⑥⑦⑩式可得
vb= ⑪
典例2:如图甲所示,MN、PQ两条平行的光滑金属轨道与水平面成θ=30°角固定,N、Q之间接电阻箱R,导轨所在空间存在匀强磁场,磁场方向垂直于轨道平面向上,磁感应强度为B=0.5T.质量为m的金属杆ab水平放置在轨道上,其接入电路的电阻值为r.现从静止释放杆ab,测得最大速度为vm.改变电阻箱的阻值R,得到vm与R之间的关系如图乙所示.已知导轨间距为L=2 m,重力加速度取g=10m/s2,轨道足够长且电阻不计.求:
甲 乙
(1) 当R=0时,杆ab匀速下滑过程中产生感应电动势E的大小及杆中的电流方向.
(2) 金属杆的质量m及阻值r.
(3) 当R=4Ω时,回路瞬时电功率每增加1W的过程中合外力对杆做的功W.
【答案】 (1) 3V b→a (2) 0.2kg 3Ω (3) 0.7J
【解析】 (1) 由图乙可知,当R=0时,杆以最终速度3 m/s匀速运动,产生电动势为E=BLv,
代入数据得E=3 V,
杆中电流方向为b→a.
从图象可知:斜率为
k= m/(s·Ω)=1 m/(s·Ω),
截距为v0=3 m/s,
得到 r=v0,=k,
代入数据得m=0.2 kg,r=3Ω.
(3) 由题意知E=BLv,P=,得P=,
所以ΔP=-,
由动能定理得W=m-m,得
W=ΔP,
代入数据得W=0.7J.
典例3:如图所示,两根足够长的平行金属导轨固定在倾角θ=30°的斜面上,导轨电阻不计,间距L=0.4 m。导轨所在空间被分成区域Ⅰ和Ⅱ,两区域的边界与斜面的交线为MN,Ⅰ
中的匀强磁场方向垂直斜面向下,Ⅱ中的匀强磁场方向垂直斜面向上,两磁场的磁感应强度大小均为B=0.5 T。在区域Ⅰ中,将质量m1=0.1 kg、电阻R1=0.1 Ω的金属条ab放在导轨上,ab刚好不下滑。然后,在区域Ⅱ中将质量m2=0.4 kg、电阻R2=0.1 Ω的光滑导体棒cd置于导轨上,由静止开始下滑。cd在滑动过程中始终处于区域Ⅱ的磁场中,ab、cd始终与导轨垂直且两端与导轨保持良好接触,取g=10 m/s2。问:
(1)cd下滑的过程中,ab中的电流方向;
(2)ab刚要向上滑动时,cd的速度v多大;
(3)从cd开始下滑到ab刚要向上滑动的过程中,cd滑动的距离x=3.8 m,此过程中ab上产生的热量Q是多少。
【答案】(1)从a到b (2)5 m/s (3)1.3 J
【解析】(1)cd下滑,根据右手定则判断,c端电势高于d端,ab中电流方向从a到b。
(2)ab刚放上时,刚好不下滑,说明ab棒受到了最大静摩擦力Ffm作用,且Ffm=m1gsinθ
cd棒下滑后,分析导体棒ab的受力如图所示,ab刚要上滑时,ab所受最大静摩擦力沿斜面向下,则
F安=Ffm+m1gsinθ
又F安=ILB
cd棒切割磁感线产生的感应电动势E=BLv
由闭合电路的欧姆定律得
I=
由以上各式得
v==5 m/s。
三 总结提升
分析方法和步聚:
(1)找准主动运动(即切割磁感线)者,用法拉第电磁感应定律和楞次定律求解电动 势大小和方向.
(2)根据等效电路图,求解回路电流大小及方向
(3)分析导体棒的受力情况及导体棒运动后对电路中电学参量的“反作用”.
(4)从宏观上推断终极状态
(5)列出动力学方程或平衡方程进行求解.
四 提升专练
1.(多选) 如图所示,间距为L、电阻不计的足够长平行光滑金属导轨水平放置,导轨左端用一阻值为R的电阻连接,导轨上横跨一根质量为m、电阻也为R的金属棒,金属棒与导轨接触良好.整个装置处于竖直向上、磁感应强度为B的匀强磁场中.现使金属棒以初速度v0沿导轨向右运动,若金属棒在整个运动过程中通过的电荷量为q.则 ( )
A. 金属棒做加速度增大的减速运动
B. 整个过程中电阻R上产生的热量为
C. 整个过程中金属棒在导轨上发生的位移为
D. 整个过程中金属棒克服安培力做功为
【答案】 BCD
2.(多选)倾角为α的光滑导电轨道间接有电源,轨道间距为L,轨道上放一根质量为m的金属杆ab,金属杆中的电流为I,现加一垂直金属杆ab的匀强磁场,如图所示, ab杆保持静止,则磁感应强度方向和大小可能为 ( )
A. 方向垂直轨道平面向上时,磁感应强度最小,大小为
B. z正向,大小为
C. X正向,大小为
D. Z正向,大小为
【答案】ACD
【解析】A、当磁场垂直轨道平面向上时,根据平衡条件: ,则,此时B最小,故选项A正确;
B、当磁场沿Z正方向时,安培力水平向右,由平衡条件可得, ,则,故选项B错误,D正确;
C、当磁场沿X正向时,安培力竖直向上,则根据平衡条件: ,则: ,故选项C正确。
3.用两根足够长的粗糙金属条折成“┏”形导轨,右端水平,左端竖直,与导轨等宽的粗糙金属细杆ab、cd和导轨垂直且接触良好.已知ab、cd杆的质量、电阻值均相等,导轨电阻不计,整个装置处于竖直向上的匀强磁场中.当ab杆在水平拉力F作用下沿导轨向右匀速运动时,cd杆沿轨道向下运动,下列说法中正确的是 ( )
A. cd杆一定向下做匀速直线运动
B. cd杆一定向下做匀加速直线运动
C. F做的功等于回路中产生的焦耳热与ab杆克服摩擦做功之和
D. F的功率等于ab杆上的焦耳热功率与摩擦热功率之和
【答案】C
4.如图,MN和PQ是电阻不计的平行金属导轨,其间距为L,导轨弯曲部分光滑,平直部分粗糙,右端接一个阻值为R的定值电阻。平直部分导轨左边区域有宽度为d、方向竖直向上、磁感应强度大小为B的匀强磁场。质量为m、电阻也为R的金属棒从高度为h处静止释放,到达磁场右边界处恰好停止。已知金属棒与平直部分导轨间的动摩擦因数为μ,金属棒与导轨间接触良好。则金属棒穿过磁场区域的过程中( )
A.流过金属棒的最大电流为
B.通过金属棒的电荷量为
C.克服安培力所做的功为mgh
D.金属棒产生的焦耳热为mg(h-μd)
【答案】D
5. 如图所示,MN、PQ为水平放置的足够长的平行光滑导轨,导轨间距L为0.5 m,导轨左端连接一个阻值为2 Ω的定值电阻R,将一根质量为0.2 kg的金属棒cd垂直放置在导轨上,且与导轨接触良好,金属棒cd的电阻r=2 Ω,导轨电阻不计,整个装置处于垂直导轨 平面向下的匀强磁场中,磁感应强度为B=2T.若棒以1
m/s的初速度向右运动,同时对棒施加水平向右的拉力F作用,并保持拉力的功率恒为4 W,从此时开始计时,经过2 s金属棒的速度稳定不变.试求:
(1) 金属棒的最大速度.
(2) 金属棒速度为3 m/s时的加速度.
(3) 从开始计时起2 s内电阻R上产生的热量.
【答案】 (1) 4m/s (2) m/s2 (3) 3.25J
【解析】 (1) 金属棒的速度最大时,所受合力为零,即BIL=F,
而P=Fvm,I=,
解出vm== m/s=4 m/s.
(2) 速度为3 m/s时,感应电动势
E=BLv=2×0.5×3 V=3 V,
电流I=,安培力F安=BIL,
金属棒受到的拉力F== N,
由牛顿第二定律得F-F安=ma,
解得a== m/s2= m/s2.
6. 如图所示,两根平行放置的导电轨道,间距为L,倾角为,轨道间接有电动势为E,内阻为r的电源,现将一根质量为m、电阻为R的金属杆ab水平且与轨道垂直放置,金属杆与轨道接触摩擦和电阻均不计,整个装置处在匀强磁场中且ab杆静止在轨道上,求:
(1)若磁场竖直向上,则磁感应强度B1是多少?
(2)如果金属杆对轨道无压力,则匀强磁场的磁感应强度的B2是多少?方向如何?
(3)若所加匀强磁场的大小和方向可以改变,则磁感应强度B3至少多大?方向如何?
【答案】(1) (2) 水平向左 (3)垂直斜面向上
【解析】(1)依题意,对金属棒ab进行受力分析,如图所示:
闭合电路欧姆定律,有:
根据平衡条件,有:F=mgtanθ
安培力大小为:F=B1IL
联立解得:
解得:
(3)当磁场方向垂直与斜面斜向上时,磁感应强度最小,由mgsinθ=B3IL得:
7. 导轨式电磁炮是利用磁场对电流的作用力,把电能转变成机械能的发射装置。如图为一电磁炮模型,把两根长为S0=100m,互相平行的铜制轨道放在垂直于轨道平面的磁场中,磁感应强度B=2.0×10−2T;质量m=2.0kg的弹体(包括金属杆PQ的质量)静止在轨道之间的宽L=2m的金属架上,通电后通过弹体的电流I=10A,弹体在运动过程中所受的阻力f恒为4.0×10−2N,求:
(1) 弹体受到的安培力多大?
(2)弹体最终以多大的速度V离开轨道?
(3)求弹体在S=25m处安培力的瞬时功率P?
【答案】(1)0.4 N; (1)6m/s; (2)1.2W.
8. 如图所示,长度为L=0.2m、电阻r=0.3Ω、质量m=0.1kg的金属棒CD,垂直跨接在位于水平面上的两条平行光滑的金属导轨上,导轨间距离也为L,棒与导轨间接触良好,导轨电阻不计。导轨左端接有R=0.5Ω的电阻,垂直导轨平面的匀强磁场向下穿过导轨平面,磁感强度B=4T。现以水平向右的恒定外力F使金属棒右移,当金属棒以v=2m/s的速度在导轨平面上匀速滑动时,求:
(1)电路中理想电流表和与理想电压表的示数;
(2)拉动金属棒的外力F的大小。
【答案】(1)2A;1V(2)1.6N
【解析】(1)CD杆产生的电动势为E,电流表的示数为I,电压表示数为U。
E=BLv
联立得:I = 2A
由欧姆定律可得:U=IR
将数据代入可得:U=1V
(2)设CD杆受到的拉力为F,由安培力公式可得:
FA=BIL
FA =1.6N
所以杆受到的拉力F= FA =1.6N
9. 如图所示,固定光滑金属导轨间距为L,导轨电阻不计,上端a、b间接有阻值为R的电阻,导轨平面与水平面的夹角为θ,且处在磁感应强度大小为B. 方向垂直于导轨平面向上的匀强磁场中。质量为m、电阻为r的导体棒与固定弹簧相连后放在导轨上。初始时刻,弹簧恰处于自然长度,导体棒具有沿轨道向上的初速度v0.整个运动过程中导体棒始终与导轨垂直并保持良好接触。已知弹簧的劲度系数为k,弹簧的中心轴线与导轨平行。
(1)求初始时刻通过电阻R的电流I的大小和方向;
(2)当导体棒第一次回到初始位置时,速度变为v,求此时导体棒的加速度大小a.
【答案】(1) 电流方向为b→a (2)gsinθ−
(1)棒产生的感应电动势为:E1=BLv0
根据欧姆定律得通过R的电流大小为:
根据右手定则判断得知:电流方向为b→a
(2)棒产生的感应电动势为:E2=BLv
根据欧姆定律得感应电流为:
棒受到的安培力大小为: ,方向沿斜面向上,受力如图所示:
根据牛顿第二定律有:
解得:
10. 如图所示,两根足够长的平行金属导轨间距l=0.50 m,倾角θ=53°,导轨上端串接电阻R=0.05 Ω.在导轨间长d=0.56 m的区域内,存在方向垂直导轨平面向下、磁感应强度B=2.0 T的匀强磁场.质量m=4.0 kg的金属棒CD水平置于导轨上,用轻质细绳跨过定滑轮与拉杆GH(GH杆的质量不计)相连.某同学用F=80 N的恒力竖直向下拉动GH杆,使CD棒从图中初始位置由静止开始运动,刚进入磁场时速度为v=2.4 m/s,当CD棒到达磁场上边界时该同学松手.取g=10 m/s2,sin 53°=0.8,不计其他电阻和一切摩擦.求:
(1) CD棒的初始位置与磁场区域下边界的距离s.
(2) 该同学松手后,CD棒能继续上升的最大高度h.
(3) 在拉升CD棒的过程中,该同学所做的功W和电阻R上产生的热量Q.
【答案】 (1) 0.24 m (2) 0.288 m (3) 26.88 J
所以CD棒在磁场中做匀速直线运动
离开磁场后,CD棒沿导轨向上做匀减速运动
由v2=2gxsin θ
解得x=0.36 m
CD棒还能继续上升的最大高度h=xsin θ=0.288 m