第8讲:两导体棒同时切割磁感线
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导体棒切割磁感线问题分类解析电磁感应中,“导体棒”切割磁感线问题是高考常见命题。
解此类型问题的一般思路是:先解决电学问题,再解决力学问题,即先由法拉第电磁感应定律求感应电动势,然后根据欧姆定律求感应电流,求出安培力,再往后就是按力学问题的处理方法,如进行受力情况分析、运动情况分析及功能关系分析等。
导体棒切割磁感线的运动一般有以下几种情况:匀速运动、在恒力作用下的运动、恒功率运动等,现分别举例分析。
一、导体棒匀速运动导体棒匀速切割磁感线处于平衡状态,安培力和外力等大、反向,给出速度可以求外力的大小,或者给出外力求出速度,也可以求出功、功率、电流强度等,外力的功率和电功率相等。
例1. 如图1所示,在一磁感应强度B=0.5T的匀强磁场中,垂直于磁场方向水平放置着两根相距为h=0.1m的平行金属导轨MN和PQ,导轨电阻忽略不计,在两根导轨的端点N、Q之间连接一阻值R=0.3Ω的电阻。
导轨上跨放着一根长为L=0.2m,每米长电阻r=2.0Ω/m的金属棒ab,金属棒与导轨正交放置,交点为c、d,当金属棒在水平拉力作用于以速度v=4.0m/s 向左做匀速运动时,试求:图1(1)电阻R中的电流强度大小和方向;(2)使金属棒做匀速运动的拉力;(3)金属棒ab两端点间的电势差;(4)回路中的发热功率。
解析:金属棒向左匀速运动时,等效电路如图2所示。
在闭合回路中,金属棒cd部分相当于电源,内阻r cd=hr,电动势E cd=Bhv。
图2(1)根据欧姆定律,R 中的电流强度为I E R r Bhv R hrcd cd =+=+=0.4A ,方向从N 经R 到Q 。
(2)使金属棒匀速运动的外力与安培力是一对平衡力,方向向左,大小为F =F安=BIh=0.02N 。
(3)金属棒ab 两端的电势差等于U ac 、U cd 与U db 三者之和,由于U cd =E cd -Ir cd ,所以U ab =E ab -Ir cd =BLv -Ir cd =0.32V 。
“导体棒切割磁感线”题型与归类“导体棒切割磁感线”问题的题型与归类问题一:电磁感应现象中的图象在电磁感应现象中,回路产生的感应电动势、感应电流及磁场对导线的作用力随时间的变化规律,也可用图象直观地表示出来.此问题可分为两类(1)由给定的电磁感应过程选出或画出相应的物理量的函数图像;(2)由给定的有关图像分析电磁感应过程,确定相关的物理量.1.判断函数图象如果是导体切割之动生电动势问题,通常由公式:E=BLv确定感应电动势的大小随时间的变化规律,由右手定则或楞次定律判断感应电流的方向;如果是感生电动势,则由法拉弟电磁感应定律确定E的大小,由楞次定律判断感应电流的方向。
题型1-1-1:例1、如图甲所示,由均匀电阻丝做成的正方形线框abcd的电阻为R1,ab=bc=cd=da=l,现将线框以与ab垂直的速度v匀速穿过一宽度为2l、磁感应强度为B的匀强磁场区域,整个过程中ab、cd两边始终保持与边界平行.令线框的cd边刚与磁场左边界重合时t=O,电流沿abcda流动的方向为正.(1)在图乙中画出线框中感应电流随时间变化的图象.(2)在图丙中画出线框中a、b两点间电势差Uab随时间t变化的图象.分析:本题是电磁感应知识与电路规律的综合应用,要求我们运用电磁感应中的楞次定律、法拉第电磁感应定律及画出等效电路图用电路规律来求解,是一种常见的题型。
解答:(1)令I0=Blv/R,画出的图像分为三段(如下图所示)t=0~l/v,i=-It= l/v~2l/v,i=0t=2l/v~3l/v,i=-I=Blv,面出的图像分为三段(如上图所示)(2)令Uab小结:要求我们分析题中所描述的物理情景,了解已知和所求的,然后将整个过程分成几个小的阶段,每个阶段中物理量间的变化关系分析明确,最后规定正方向建立直角坐标系准确的画出图形例2、如图所示,一个边长为a ,电阻为R 的等边三角形,在外力作用下以速度v 匀速的穿过宽度均为a 的两个匀强磁场,这两个磁场的磁感应强度大小均为B ,方向相反,线框运动方向与底边平行且与磁场边缘垂直,取逆时针方向为电流的正方向,试通过计算,画出从图示位置开始,线框中产生的感应电流I 与沿运动方向的位移x 之间的函数图象分析:本题研究电流随位移的变化规律,涉及到有效长度问题.解答:线框进入第一个磁场时,切割磁感线的有效长度在均匀变化.在位移由0到a/2过程中,切割有效长度由0增到23a ;在位移由a/2到a 的过程中,切割有效长度由23a 减到0.在x=a/2时,,I=R avB 23,电流为正.线框穿越两磁场边界时,线框在两磁场中切割磁感线产生的感应电动势相等且同向,切割的有效长度也在均匀变化.在位移由a 到3a/2 过程中,切割有效长度由O 增到23a 。