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- 2021-05-24 发布
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电磁感应处理方法举例
在电磁感应现象中,可将电动势的产生分为两类:一类是感生电动势,即是由于闭合线圈中的磁通量发生变化所引起的,也就是我们所讲的S不变,B变化的情况;另一类是动生电动势,即由导体棒在磁场中切割磁感线,导体棒的电荷由于受到洛沦兹力的作用而发生定向移动,从而在导体棒的两端产生电势差。围绕着这两种产生的原因,在高中阶段的具体的问题分为下面三类:
一. B变化,S不变
1.如图所示,一个50匝的线圈的两端跟R=99Ω的电阻相连接,置于竖直向下的匀强磁场中.线圈的横截面积是20 cm2,电阻为1 Ω,磁感应强度以100T/s的变化率均匀减小.在这一过程中通过电阻R的电流为多大?
解析:线圈中的磁感应强度B发生变化,从而引起线圈中的磁通量发生变化,因而线圈相当于一个电源。根据题意,
I= ①
E=N =N ②
由① ②两式 ,将具体数据代入,可得:I=1.1A.
二. B不变,S变化
2.如图所示,在竖直向下的磁感应强度为B的匀强磁场中,有两根水平放置相距L且足够长的平行金属导轨AB、CD,在导体的 AC端连接一阻值为R的电阻,一根垂直于导轨放置的金属棒ab,质量为m,导轨和金属棒的电阻及它们间的摩擦不计,若用恒力F沿水平向右拉棒运动,求金属棒的最大速度.
解析:此题为一根导体棒在磁场中切割磁感线产生动生电动势的情况。导体棒ab在切割磁感线的过程,产生了感应电动势,同时,电阻R和导体棒构成一个闭合回路,当有电流流过导体棒ab时,棒ab 又受到安培力F安
的作用。导体棒在两个力的作用下做加速运动,当棒ab 的加速度a=0 时,棒ab的速度达到最大。
E=BLv ① I= ②
F安=BLI ③ a= ④
由①②③④可得a=-
当a=0时,Vmax=
3、如图所示,在水平面上有两条平行导轨MN,PQ,导轨间距离为l,匀强磁场垂直于导轨所在的平面(纸面)向里,磁感应强度的大小为B。两根金属杆1、2摆在导轨上,与导轨垂直,它们的质量和电阻分别
为m1,m2和R1、R2,两杆与导轨接触良好,与导轨间的动摩擦因数皆为μ,已知杆1被外力拖动,以恒定的速度v0,沿导轨运动,达到稳定状态时,杆2也以恒定速度沿导轨运动,导轨间的电阻可忽略,求此时杆2的速度的大小。
解析:此题中杆1、2(两杆的长度相同)都在切割磁感线,因此导体棒1、2各自都产生动生电动势。由题意可知,杆2如果要以恒定速度沿导轨运动,则杆2所受到的摩擦力与安培力平衡,而杆2要受到安培力的作用,可得杆2和杆1的速度肯定不相等。设杆2的速度为v
E=Bl(v0-v) ①
I= ②
BlI ③
当杆2匀速运动时,μm2g ④
由①②③④可得 v=v0-
4. 图中a1b1c1d1和a2b2c2d2为在同一竖直面
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a1b1与a2b2段是竖直的,距离为l1;c1d1与c2d2段也是竖直的,距离为l2。x1y1与x2y2两根用不可伸长的绝缘轻线相连的金属细杆,质量分别为m1和m2,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x1y1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,求此时作用于两杆的重力的功率的大小。
解析: 此题亦是两根细杆在切割磁感线,与上题不同的是两金属杆x1y1和x2y2在切割磁感线的过程中速度相等,但杆x1y1和x2y2的长度不相等。x1y1和x2y2在切割磁感线的过程中,都产生感应电动
势,其等效的感应电动势为E=Bl(l2-l1) ①
等效电流:I= ②
以x1y1和x2y2做为整体进行受力分析可知:F=(m1+m2)g+F安 ③
F安=BI(l2-l1) ④
由①②③④ 可得 v=
进而可求得重力的功率 P=Gv
三.B变,S亦变
5.如图所示,两根平行金属导轨固定往水平桌面上,每根导轨每米的电阻为r0=0.10Ω/m, 导轨的端点P、Q用电阻可忽略的导线相连,两导轨间的距离l=0.20m,有随时间变化的匀强磁场垂直于桌面,已知磁感应强度B与时间t的关系为B=kt,比例系数k=0.020T/s,一电阻不计的金属杆可在导轨上无摩擦地滑动,在滑动过程中保持与导轨垂直,在t=0时刻,金属杆紧靠在P、Q端,在外力作用下,杆以恒定的加速度从静止开始向导轨的另一端滑动,求在t=0.60s 时金属杆所受的安培力
解析:金属杆在运动的过程中,磁感应强度B在随时间发生变化,同时,由于金属杆在运动,故导轨与金属杆组成的回路的磁通量在不断的发生变化,所以在回路中既有感生电动势,也有动生电动势.
设在t时刻,金属杆与初始位置的距离L=at2 ①
此时杆的速度 v=at ②
杆与导轨构成的回路的面积S=Ll ③
回路中产生的感应电动势+Blv ④
I= ⑤
F=BlI=ktlI ⑥
由①- ⑥各式可得:F= 故F=1.44 10-3N
综上所述,在处理有关电磁感应的问题时,最基础的处理方法还是对物理进行受力分析和运动情况的分析。在对物体进行受力分析时,由于电磁感应现象,多了一个安培力的作用,这一点是不能忽视的。
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