电磁感应导轨问题归纳(有答案)
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电磁感应中的导轨问题训练题及解答在电磁感应的现象中,切割磁感线的导体或磁通量发生变化时回路将产生的感应电动势,导体或回路称为电源,,电路中常出现电、力结合、电、电结合等问题。
今对一些典题进行分析,给同学以启迪(07·广东·18)(17分)如图(a)所示,一端封闭的两条平行光滑导轨相距L,距左端L处的中间一段被弯成半径为H的1/4圆弧,导轨左右两段处于高度相差H的水平面上。
圆弧导轨所在区域无磁场,右段区域存在磁场B0,左段区域存在均匀分布但随时间线性变化的磁场B(t),如图(b)所示,两磁场方向均竖直向上。
在圆弧顶端放置一质量为m的金属棒ab,与导轨左段形成闭合回路,从金属棒下滑开始计时,经过时间t0滑到圆弧底端。
设金属棒在回路中的电阻为R,导轨电阻不计,重力加速度为g。
⑵金属棒在圆弧内滑动时,回路中感应电流的大小和方向是否发生改变?为什么?⑵求0到t0时间内,回路中感应电流产生的焦耳热量。
⑶讨在金属棒滑到圆弧底端进入匀强磁场B0的一瞬间,回路中感应电流的大小和方向。
解析:⑴感应电流的大小和方向均不发生改变。
因为金属棒滑到圆弧任意位置时,回路中磁通量的变化率相同。
⑵0—t 0时间内,设回路中感应电动势大小为E 0,感应电流为I ,感应电流产生的焦耳热量为Q ,由法拉第电磁感应定律:0020t B L t E =∆∆Φ= ② 根据闭合电路的欧姆定律:R E I0= ③ 由焦耳定律及②③有:R t B L Rt I Q020402== ④ 解得:4200L B Qt R =一、 电磁感应中的力学问题1、磁悬浮列车是一种高速低耗的新型交通工具。
它的驱动系统简化为如下模型,固定在列车下端的动力绕组可视为一个矩形纯电阻金属框,电阻为R ,金属框置于xOy 平面内,长边MN 长为l ,平行于y 轴,宽为d 的NP 边平行于x 轴,如图1所示。
列车轨道沿Ox 方向,轨道区域内存在垂直于金属框平面的磁场,磁感应强度B 沿Ox 方向按正弦规律分布,其空间周期为λ,最大值为B 0,如图2所示,金属框同一长边上各处的磁感应强度相同,整个磁场以速度v 0沿Ox 方向匀速平移。
电磁感应综合-导轨模型计算题1.(9分)如图所示,两根间距L=1m 、电阻不计的平行光滑金属导轨ab 、cd 水平放置,一端与阻值R =2Ω的电阻相连。
质量m=1kg 的导体棒ef 在外力作用下沿导轨以v=5m/s 的速度向右匀速运动。
整个装置处于磁感应强度B=0.2T 的竖直向下的匀强磁场中。
求:(1)感应电动势大小;(2)回路中感应电流大小; (3)导体棒所受安培力大小。
【答案】(1)V 1=E (2)0.5A I = (3)0.1N F =安【解析】 试题分析:(1)导体棒向右运动,切割磁感线产生感应电动势BLv E = 代入数据解得:V 1=E(2)感应电流RE I =代入数据解得:A 5.0=I(3)导体棒所受安培力BIL F =安 代入数据解得:N 10.F =安考点:本题考查了电磁感应定律、欧姆定律、安培力。
2.如图所示,处于匀强磁场中的两根足够长、电阻不计的平行金属导轨相距1 m ,导轨平面与水平面成θ=37°角,下端连接阻值为R 的电阻.匀强磁场方向与导轨平面垂直,质量为0.2 kg 、电阻不计的金属棒放在两导轨上,棒与导轨垂直并保持良好接触,它们之间的动摩擦因数为0.25.(1)求金属棒沿导轨由静止开始下滑时的加速度大小.(2)当金属棒下滑速度达到稳定时,电阻R 消耗的功率为8 W ,求该速度的大小.(3)在上问中,若R =2 Ω,金属棒中的电流方向由a 到b ,求磁感应强度的大小与方向.(g 取10 m/s 2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8)【答案】(1)4m/s 2(2)10m/s (3)0.4T 【解析】试题分析:(1)金属棒开始下滑的初速为零,Ve b a c由牛顿第二定律得:mgsinθ-μmgcosθ=ma ①由①式解得:a=10×(0.6-0.25×0.8)m/s 2=4m/s 2②;(2)设金属棒运动达到稳定时,速度为v ,所受安培力为F , 棒在沿导轨方向受力平衡:mgsinθ一μmgcos0一F=0 ③此时金属棒克服安培力做功的功率等于电路中电阻R 消耗的电功率:Fv=P ④ 由③、④两式解得:s m s m F P v /10/)8.025.06.0(102.08=⨯-⨯⨯==⑤ (3)设电路中电流为I ,两导轨间金属棒的长为l ,磁场的磁感应强度为B , 感应电流:RBlvI =⑥ 电功率:P=I 2R ⑦ 由⑥、⑦两式解得:T T vl PR B 4.011028=⨯⨯==⑧ 磁场方向垂直导轨平面向上;考点:牛顿第二定律;电功率;法拉第电磁感应定律. 3.(13分)如图,在竖直向下的磁感应强度为B 的匀强磁场中,两根足够长的平行光滑金属轨道MN 、PQ 固定在水平面内,相距为L 。
应用动力学和能量观点解决电磁感应中的“导轨+杆”模型问题1. 模型概述“导轨+杆”模型是电磁感应问题在高考命题中的“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,是我们复习中的难点.“导轨+杆”模型又分为“单杆”型和“双杆”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运动、匀变速运动、非匀变速运动或转动等;磁场的状态可分为恒定不变、均匀变化和非均匀变化等等,情景复杂,形式多变. 2. 常见模型类型 “电—动—电”型“动—电—动”型示意图已知量棒ab 长L ,质量m ,电阻R ;导轨光滑水平,电阻不计 棒ab 长L ,质量m ,电阻R ;导轨光滑,电阻不计过程分析S 闭合,棒ab 受安培力F =BLER,此时加速度a =BLEmR,棒ab 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 =0时,a =0,v 最大,最后匀速运动棒ab 释放后下滑,此时加速度a =gsin α,棒ab 速度v ↑→感应电动势E =BLv ↑→电流I =ER ↑→安培力F =BIL ↑→加速度a ↓,当安培力F =mgsin α时,a =0,v 最大,最后匀速运动能 量 转 化 通过安培力做功,把电能转化为动能克服安培力做功,把重力势能转化为内能运动 形式 变加速运动 变加速运动 最终 状态匀速运动,vm =E ′BL匀速运动vm =mgRsin αB2L2一、单棒问题 1、发电式(1)电路特点:导体棒相当于电源,当速度为v 时,电动势E =Blv (2)安培力特点:安培力为阻力,并随速度增大而增大(3)加速度特点:加速度随速度增大而减小(4)运动特点:加速度减小的加速运动 (5)最终状态:匀速直线运动 (6)两个极值①v=0时,有最大加速度:Fm F mg a mμ-=②a=0时,有最大速度:(7)能量关系(8)动量关系(9)变形:摩擦力;改变电路;改变磁场方向;改变轨道解题步骤:解决此类问题首先要建立“动→电→动”的思维顺序,可概括总结为: (1)找”电源”,用法拉第电磁感应定律和楞次定律求解电动势的大小和方向; (2)画出等效电路图,求解回路中的电流的大小及方向;(3)分析安培力对导体棒运动速度、加速度的动态过程,最后确定导体棒的最终运动情况; (4)列出牛顿第二定律或平衡方程求解. (一)导轨竖直1、如图所示,足够长的光滑平行金属导轨MN 、PQ 竖直放置,其宽度L =1 m ,一匀强磁场垂直穿过导轨平面,导轨的上端M 与P 之间连接阻值为R =0.40 Ω的电阻,质量为m =0.01 kg 、电阻为r =0.30 Ω的金属棒ab 紧贴在导轨上.现使金属棒ab 由静止开始下滑,下滑过程中ab 始终保持水平,且与导轨接触良好,其下滑距离x 与时间t 的关系如图乙所示,图象中的OA 段为曲线,AB 段为直线,导轨电阻不计,g =10 m/s2(忽略ab 棒运动过程中对原磁场的影响),求:甲 乙(1)磁感应强度B 的大小; (2)金属棒ab 在开始运动的1.5 s 内,通过电阻R 的电荷量; (3)金属棒ab 在开始运动的1.5 s 内,电阻R 上产生的热量. 答案 (1)0.1 T (2)0.67 C (3)0.26 J解析 (1)金属棒在AB 段匀速运动,由题中图象乙得: v =Δx Δt =7 m/s I =BLv r +R,mg =BIL 解得B =0.1 T(2)q =I Δt I =ΔΦR +r Δt ΔΦ=ΔSΔtB 解得:q =0.67 C(3)Q =mgx -12mv2 解得Q =0.455 J 从而QR =Rr +RQ =0.26 J2、 如图所示,竖直放置的两根足够长平行金属导轨相距L ,导轨间接有一定值电阻R ,质量为m ,电阻为r 的金属棒与两导轨始终保持垂直并良好接触,且无摩擦,整个装置放在匀强磁场中,磁场方向与导轨平面垂直,现将金属棒由静止释放,金属棒下落高度为h时开始做匀速运动,在此过程中NM 22-+=()()m F mg R r v B l μ212E mFs Q mgS mv μ=++0m Ft BLq mgt mv μ--=-FB F( )A .导体棒的最大速度为2ghB .通过电阻R 的电荷量为BLhR +rC .导体棒克服安培力做的功等于电阻R 上产生的热量D .重力和安培力对导体棒做功的代数和等于导体棒动能的增加量 答案 BD3、如图2所示,电阻为R ,其他电阻均可忽略,ef 是一电阻可不计的水平放置的导体棒,质量为m ,棒的两端分别与ab 、cd 保 持良好接触,又能沿框架无摩擦下滑,整个装置放在与框架垂直的 匀强磁场中,当导体棒ef 从静止下滑一段时间后闭合开关S ,则S 闭合后 ( ) A .导体棒ef 的加速度可能大于g B .导体棒ef 的加速度一定小于gC .导体棒ef 最终速度随S 闭合时刻的不同而不同D .导体棒ef 的机械能与回路内产生的电能之和一定守恒4、MN 和PQ 为竖直方向的两平行长直金属导轨,间距l 为0.40m ,电阻不计.导轨所在平面与磁感应强度B 为0.50T 的匀强磁场垂直.质量m 为6.0×10-3kg 、电阻为1.0Ω的金属杆ab 始终垂直于导轨,并与其保持光滑接触.导轨两端分别接有滑动变阻器和阻值为3.0Ω的电阻R 1.当杆ab 达到稳定状态时以速率υ匀速下滑,整个电路消耗的电功率P 为0.27W ,重力加速度取10m/s 2,试求速率υ和滑动变阻器接入电路部分的阻值R 2.5、如图,两根足够长的金属导轨ab 、cd 竖直放置,导轨间距离为L 1电阻不计。
电磁导轨问题归类分析电磁导轨问题涉及力学、功能关系、电磁学等一系列基本概念、基本规律和科学思维方法。
分清不同性质的导轨,熟悉各种导轨中导体的运动性质、能量转化特点和极值规律,对于吃透基本概念,掌握基本规律,提高科学思维和综合分析能力,具有重要的意义。
主干知识一、发电式导轨的基本特点和规律如图1所示,间距为l 的平行导轨与电阻R 相连,整个装置处在大小为B 、垂直导轨平面向上的匀强磁场中,质量为m 、电阻为r 的导体从静止开始沿导轨滑下,已知导体与导轨的动摩擦因数为μ。
1、 电路特点导体为发电边,与电源等效,当导体的速度为v 时,其中的电动势为E =Blv2、 安培力的特点 安培力为运动阻力,并随速度按正比规律增大。
F B =BIl =v rR v l B l r R Blv B ∝+=+22 3、 加速度特点加速度随速度增大而减小,导体做加速度减小的加速运动mr R v l B m g m g a )/(cos sin 22+--=θμθ 4、 两个极值的规律当v =0时,F B =0,加速度最大为a m =g (sinθ-μcosθ)当a=0时,ΣF =0,速度最大,根据平衡条件有mgsinθ=μmgcosθ+)(22r R v l B m +所以,最大速度为 :22m l B )r R )(cos (sin mg v +θμ-θ= 5、 匀速运动时能量转化规律当导体以最大速度匀速运动时,重力的机械功率等于安培力功率(即电功率)和摩擦力功率之和,并均达到最大值。
P G =P F +P f ⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧θμ=+=+===θ=cos mgv P )r R (I r R E E I v F P sin mgv P m f2m 2m m m m m F m G 当μ=0时,重力的机械功率就等于安培力功率,也等于电功率,这是发电导轨在匀速运动过程中,最基本的能量转化和守恒规律。
mgv m sinθ=F m v m =I m E m )(22r R I rR E m m +=+=(列动能定理的过程方程或能量守恒的方程)二、电动式导轨的基本特点和规律如图2所示,间距为l 的平行导轨水平放置,与电动势为E 、内阻为r 的电源连接,处在大小为B 、方向竖直向上的匀强磁场中。
电磁感应——导轨问题基本知识22E BlvB l vF BIl R rQ W ===+=-安安(单电源)一.恒定速度1.外加拉力大小等于安培力大小。
22B l vF R r=+ 2.拉力做功全部用来产生焦耳热。
2+)Fv I R r =(3.通过R 的电量E Blvtq I t t R R Rϕ∆=∆=∆==二.恒定加速度1.F F ma -=安即22B l vF ma R r-=+如果初速度为零v=at所以22B l atF ma R r=++可见,F 随时间逐渐增大,一次函数。
如果初速度不为零,v=v 0+at22220B l v B l atF ma R r R r=++++2.拉力做功不仅产生焦耳热,而且产生了导体棒的动能 动能定理F k W W E +=∆安 或F k W E Q =∆+ F P Fv =222Q B l v P EI R r==+ 三.恒定拉力1.F F ma -=安即22B l v F ma R r-=+F 恒定,随着v 的增大,加速度a 减小。
当a =0时,v=v max =22()F R r B l +。
2. 拉力做功不仅产生焦耳热,而且产生了导体棒的动能 动能定理F k W W E +=∆安 或F k W E Q =∆+ F P Fv =222Q B l v P EI R r==+ 四.恒定功率 例.如图所示,两根光滑的平行直金属导轨置于水平面内,其电阻不计,间距L =1m ,导轨左端接有阻值R =0.3Ω的电阻。
质量m =0.5kg ,电阻r =0.2Ω的导体棒垂直跨接在导轨上,并良好接触。
导轨平面内有一竖直向下的匀强磁场,磁感应强度B =0.5T 。
开始时,导体棒静止。
有一垂直于导体棒,水平向右的力F 作用与导体棒上,若保持该力F 的功率p =0.5W 不变,经过t =2.5s 时间,导体棒获得的最大速度,求ma +(1) 导体棒获得的最大速度(2) 从导体棒开始运动到获得最大速度的过程中,电阻R 上的焦耳热(3) 当导体棒恒定最大速度后,撤去F ,导体棒还能够在导轨上滑行多远?解:(1) 导体棒获得最大速度v m 时,外力F 与其受到的安培力F 安大小相等,此时感应电动势E=Blv导体棒所受安培力22mB l v F Blv R r==+安外力m PF v =由F F =安,得 22mm B l v P v R r=+1m/s m v = (2) 设此过程中,克服安培力做功W ,由动能定理得:Pt -W =212m mv于是有211J 2m W Pt mv =-=电阻R 上的焦耳热 0.6J R RQ Q W R r R r===++总(3) 撤去力F 后,设导体棒还能滑行的距离为x ,滑行的时间为t′,由动量定理0m F t mv '-=-安即22m B l v t mv R r'-=-+ 其中x vt =,所以22()m mv R r x B l +=代入数据,得 x =1m五.双电源问题与动量知识的综合1.两棒等长例1.如图,导体棒ab 、cd 质量为m 1、m 2,电阻为R 1、R 2。
应用动力学和能量观点解决电磁感应中的“导轨+杆”模型问题1.模型概述“导轨+杆”模型是电磁感应问题在高考命题中的“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,是我们复习中的难点.“导轨+杆”模型又分为“单杆”型和“双杆”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运动、匀变速运动、非匀变速运动或转动等;磁场的状态可分为恒定不变、均匀变化和非均匀变化等等,情景复杂,形式多变.2.常见模型类型“电—动—电”型“动—电—动”型示意图已知量棒ab长L,质量m,电阻R;导轨光滑水平,电阻不计棒ab长L,质量m,电阻R;导轨光滑,电阻不计过程分析S闭合,棒ab受安培力F=BLER,此时加速度a=BLEmR,棒ab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=0时,a=0,v最大,最后匀速运动棒ab释放后下滑,此时加速度a=gsin α,棒ab速度v↑→感应电动势E=BLv↑→电流I=ER↑→安培力F=BIL↑→加速度a↓,当安培力F=mgsin α时,a=0,v最大,最后匀速运动能量转化通过安培力做功,把电能转化为动能克服安培力做功,把重力势能转化为内能运动形式变加速运动变加速运动最终状态匀速运动,vm=E′BL匀速运动vm=mgRsin αB2L2一、单棒问题1、发电式(1)电路特点:导体棒相当于电源,当速度为v时,电动势E=Blv(2)安培力特点:安培力为阻力,并随速度增大而增大(3)加速度特点:加速度随速度增大而减小(4)运动特点:加速度减小的加速运动(5)最终状态:匀速直线运动(6)两个极值F①v=0时,有最大加速度:②a=0时,有最大速度:(7)能量关系(8)动量关系(9)变形:摩擦力;改变电路;改变磁场方向;改变轨道解题步骤:解决此类问题首先要建立“动→电→动”的思维顺序,可概括总结为:(1)找”电源”,用法拉第电磁感应定律和楞次定律求解电动势的大小和方向;(2)画出等效电路图,求解回路中的电流的大小及方向;(3)分析安培力对导体棒运动速度、加速度的动态过程,最后确定导体棒的最终运动情况;(4)列出牛顿第二定律或平衡方程求解.(一)导轨竖直1、如图所示,足够长的光滑平行金属导轨MN、PQ竖直放置,其宽度L=1 m,一匀强磁场垂直穿过导轨平面,导轨的上端M与P之间连接阻值为R=0.40 Ω的电阻,质量为m=0.01 kg、电阻为r=0.30 Ω的金属棒ab紧贴在导轨上.现使金属棒ab由静止开始下滑,下滑过程中ab始终保持水平,且与导轨接触良好,其下滑距离x与时间t的关系如图乙所示,图象中的OA段为曲线,AB段为直线,导轨电阻不计,g=10 m/s2(忽略ab棒运动过程中对原磁场的影响),求:甲乙(1)磁感应强度B的大小;(2)金属棒ab在开始运动的1.5 s内,通过电阻R的电荷量;(3)金属棒ab在开始运动的1.5 s内,电阻R上产生的热量.答案(1)0.1 T(2)0.67 C(3)0.26 J解析(1)金属棒在AB段匀速运动,由题中图象乙得:v=ΔxΔt=7 m/s I=BLvr+R,mg=BIL 解得B=0.1 TNM22-+=()()mF mg R rvB lμ212E mFs Q mgS mvμ=++mFt BLq mgt mvμ--=-F B F(2)q =I Δt I =ΔΦR +r Δt ΔΦ=ΔSΔtB 解得:q =0.67 C(3)Q =mgx -12mv2 解得Q =0.455 J 从而QR =Rr +R Q =0.26 J2、 如图所示,竖直放置的两根足够长平行金属导轨相距L ,导轨间接有一定值电阻R ,质量为m ,电阻为r 的金属棒与两导轨始终保持垂直并良好接触,且无摩擦,整个装置放在匀强磁场中,磁场方向与导轨平面垂直,现将金属棒由静止释放,金属棒下落高度为h 时开始做匀速运动,在此过程中( )A .导体棒的最大速度为2ghB .通过电阻R 的电荷量为BLhR +rC .导体棒克服安培力做的功等于电阻R 上产生的热量D .重力和安培力对导体棒做功的代数和等于导体棒动能的增加量 答案 BD3、如图2所示,电阻为R ,其他电阻均可忽略,ef 是一电阻可不计的水平放置的导体棒,质量为m ,棒的两端分别与ab 、cd 保 持良好接触,又能沿框架无摩擦下滑,整个装置放在与框架垂直的 匀强磁场中,当导体棒ef 从静止下滑一段时间后闭合开关S ,则S 闭合后 ( ) A .导体棒ef 的加速度可能大于g B .导体棒ef 的加速度一定小于gC .导体棒ef 最终速度随S 闭合时刻的不同而不同D .导体棒ef 的机械能与回路内产生的电能之和一定守恒4、MN 和PQ 为竖直方向的两平行长直金属导轨,间距l 为0.40m ,电阻不计.导轨所在平面与磁感应强度B 为0.50T 的匀强磁场垂直.质量m 为6.0×10-3kg 、电阻为1.0Ω的金属杆ab 始终垂直于导轨,并与其保持光滑接触.导轨两端分别接有滑动变阻器和阻值为3.0Ω的电阻R 1.当杆ab 达到稳定状态时以速率υ匀速下滑,整个电路消耗的电功率P 为0.27W ,重力加速度取10m/s 2,试求速率υ和滑动变阻器接入电路部分的阻值R 2.5、如图,两根足够长的金属导轨ab 、cd 竖直放置,导轨间距离为L 1电阻不计。
.动态分析导体棒与导轨问题1、一根导体棒在导轨上滑动(单导体问题)类“电—动—电”型“动—电—动”型型示M b意P图NaQ棒 ab 长为 L ,质量为 m,电阻为 R,棒 ab 长为 L ,质量为 m,电阻为 R,导轨光滑,电阻不计。
导轨光滑,电阻不计。
分开关闭合后,棒 ab 受安培力 F=BLE/R ,棒 ab 释放后下滑,此时a=gsin α,棒 ab 的析此时, a=BLE/mR, 棒 ab 的速度增加—速度 v增加——感应电动势E=BLv 增加感应电动势 BLv 增加—安培力 F=BIL 减——感应电流增加——安培力 F 增加——小—加速度 a 减小,当安培力 F=0 ( a=0)加速度 a 减小,当安培力F=mgsinα时, v 时, v 最大最大。
2、两根导体棒在导轨上滑动(双导体问题)初速度不为零,不受其他水平外力作用NQNQ V 0V 0示MP MP意图质量 =m 1=m 2电阻 =r1 =r2质量 =m 1=m 2电阻 =r1=r 2长度 =L 1=L 2长度 =L 1=L 2分杆 MN 做边减速运动,杆 PQ 做变稳定时,两杆的加速度为零,两杆的速度析加速运动,稳定时,两杆的加速度之比为 1: 2为零,以相等的速度匀速运动。
初速度为零,受其他水平外力的作用.N QNQ示F F意MP MP图质量 =m 1=m 2电阻 =r1=r2摩擦力 f 1=f 2,质量 =m 1=m 2长度 =L 1=L 2电阻 =r1=r2长度 =L 1=L 2分开始时,两杆做变加速运动;稳定时,稳定时,若 F≤2f,则 PQ 先变加速后匀析两杆以相同的加速度做匀变速直线运速运动;若 F>2f ,则 PQ 先变加速,之动。
后两杆匀加速运动。
一、“动—电—动”型1.(2007 山东济南)如图所示,水平放置的光滑平行金属导轨上有一质量为m 的金属棒 ab.导轨地一端连接电阻R,其他电阻均不计,磁感应强度为 B 的匀强磁场垂直于导轨平面向下,金属棒ab 在一水平恒力 F 作用下由静止起向右运动.则()A .随着 ab 运动速度的增大,其加速度也增大B .外力 F 对 ab 做的功等于电路中产生的电能C.当 ab 做匀速运动时,外力 F 做功的功率等于电路中的电功率D .无论 ab 做何种运动,它克服安培力做的功一定等于电路中产生的电能2、如图所示,有两根和水平方向成角的光滑平行的金属轨道,上端接有可变电阻 R,下端足够长,空间有垂直于轨道平面的匀强磁场,磁感强度为B,一根质量为 m 的金属杆从轨道上由静止滑下.经过足够长的时间后,金属杆的速度会趋近于一个最大速度v m,则()A .如果B 增大, v m将变大 B .如果变大, v m将变大C.如果 R 变大, v 将变大D.如果 m 变小, v将变大m m3.如图所示,一光滑平行金属轨道平面与水平面成θ角,两导轨上端用一电阻 R 相连,该装置处于匀强磁场中,磁场方向垂直轨道平面向上。
电磁感应导轨问题归纳(有答案)-标准化文件发布号:(9556-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII应用动力学和能量观点解决电磁感应中的“导轨+杆”模型问题1. 模型概述“导轨+杆”模型是电磁感应问题在高考命题中的“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,是我们复习中的难点.“导轨+杆”模型又分为“单杆”型和“双杆”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运动、匀变速运动、非匀变速运动或转动等;磁场的状态可分为恒定不变、均匀变化和非均匀变化等等,情景复杂,形式多变. 2.常见模型类型 “电—动—电”型“动—电—动”型示意图已知量棒ab 长L ,质量m ,电阻R ;导轨光滑水平,电阻不计棒ab 长L ,质量m ,电阻R ;导轨光滑,电阻不计过程分析S 闭合,棒ab 受安培力F =BLER ,此时加速度a =BLEmR ,棒ab 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 =0时,a =0,v 最大,最后匀速运动棒ab 释放后下滑,此时加速度a =gsin α,棒ab 速度v ↑→感应电动势E =BLv ↑→电流I =ER ↑→安培力F =BIL ↑→加速度a ↓,当安培力F =mgsin α时,a =0,v 最大,最后匀速运动能 量 转 化 通过安培力做功,把电能转化为动能克服安培力做功,把重力势能转化为内能运动 形式 变加速运动 变加速运动 最终 状态匀速运动,vm =E ′BL匀速运动vm =mgRsin αB2L2一、单棒问题 1、发电式(1)电路特点:导体棒相当于电源,当速度为v 时,电动势E =Blv (2)安培力特点:安培力为阻力,并随速度增大而增大(3)加速度特点:加速度随速度增大而减小(4)运动特点:加速度减小的加速运动 (5)最终状态:匀速直线运动 (6)两个极值Fm F mg a μ-=①v=0时,有最大加速度:②a=0时,有最大速度:(7)能量关系(8)动量关系(9)变形:摩擦力;改变电路;改变磁场方向;改变轨道解题步骤:解决此类问题首先要建立“动→电→动”的思维顺序,可概括总结为: (1)找”电源”,用法拉第电磁感应定律和楞次定律求解电动势的大小和方向; (2)画出等效电路图,求解回路中的电流的大小及方向;(3)分析安培力对导体棒运动速度、加速度的动态过程,最后确定导体棒的最终运动情况; (4)列出牛顿第二定律或平衡方程求解. (一)导轨竖直1、如图所示,足够长的光滑平行金属导轨MN 、PQ 竖直放置,其宽度L =1 m ,一匀强磁场垂直穿过导轨平面,导轨的上端M 与P 之间连接阻值为R =0.40 Ω的电阻,质量为m =0.01 kg 、电阻为r =0.30 Ω的金属棒ab 紧贴在导轨上.现使金属棒ab 由静止开始下滑,下滑过程中ab 始终保持水平,且与导轨接触良好,其下滑距离x 与时间t 的关系如图乙所示,图象中的OA 段为曲线,AB 段为直线,导轨电阻不计,g =10 m/s2(忽略ab 棒运动过程中对原磁场的影响),求:甲 乙(1)磁感应强度B 的大小; (2)金属棒ab 在开始运动的1.5 s 内,通过电阻R 的电荷量; (3)金属棒ab 在开始运动的1.5 s 内,电阻R 上产生的热量. 答案 (1)0.1 T (2)0.67 C (3)0.26 J解析 (1)金属棒在AB 段匀速运动,由题中图象乙得: v =Δx Δt =7 m/s I =BLv r +R,mg =BIL 解得B =0.1 T(2)q =I Δt I =ΔΦR +r Δt ΔΦ=ΔSΔtB 解得:q =0.67 CNM 22-+=()()m F mg R r v B l μ212E mFs Q mgS mv μ=++0m Ft BLq mgt mv μ--=-FBF(3)Q =mgx -12mv2 解得Q =0.455 J 从而QR =Rr +RQ =0.26 J2、 如图所示,竖直放置的两根足够长平行金属导轨相距L ,导轨间接有一定值电阻R ,质量为m ,电阻为r 的金属棒与两导轨始终保持垂直并良好接触,且无摩擦,整个装置放在匀强磁场中,磁场方向与导轨平面垂直,现将金属棒由静止释放,金属棒下落高度为h 时开始做匀速运动,在此过程中 ( ) A .导体棒的最大速度为2ghB .通过电阻R 的电荷量为BLhR +rC .导体棒克服安培力做的功等于电阻R 上产生的热量D .重力和安培力对导体棒做功的代数和等于导体棒动能的增加量 答案 BD3、如图2所示,电阻为R ,其他电阻均可忽略,ef 是一电阻可不计的水平放置的导体棒,质量为m ,棒的两端分别与ab 、cd 保 持良好接触,又能沿框架无摩擦下滑,整个装置放在与框架垂直的 匀强磁场中,当导体棒ef 从静止下滑一段时间后闭合开关S ,则S 闭合后 ( ) A .导体棒ef 的加速度可能大于g B .导体棒ef 的加速度一定小于gC .导体棒ef 最终速度随S 闭合时刻的不同而不同D .导体棒ef 的机械能与回路内产生的电能之和一定守恒4、MN 和PQ 为竖直方向的两平行长直金属导轨,间距l 为0.40m ,电阻不计.导轨所在平面与磁感应强度B 为0.50T 的匀强磁场垂直.质量m 为6.0×10-3kg 、电阻为1.0Ω的金属杆ab 始终垂直于导轨,并与其保持光滑接触.导轨两端分别接有滑动变阻器和阻值为3.0Ω的电阻R 1.当杆ab 达到稳定状态时以速率υ匀速下滑,整个电路消耗的电功率P 为0.27W ,重力加速度取10m/s 2,试求速率υ和滑动变阻器接入电路部分的阻值R 2.5、如图,两根足够长的金属导轨ab 、cd 竖直放置,导轨间距离为L 1电阻不计。
在导轨上端并接两个额定功率均为P 、电阻均为R 的小灯泡。
整个系统置于匀强磁场中,磁感应强度方向与导轨所在平面垂直。
现将一质量为m 、电阻可以忽略的金属棒MN 从图示位置由静止开始释放。
金属棒下落过程中保持水平,且与导轨接触良好。
已知某时刻后两灯泡保持正常发光。
重力加速度为g 。
求: (1)磁感应强度的大小:(2)灯泡正常发光时导体棒的运动速率。
解析:每个灯上的额定电流为PI R=额定电压为:P U R = (1)最后MN 匀速运动故:B2IL=mg 求出:2mg PRB PL=(2)U=BLv 得:2PR Pv BL mg==(二)导轨水平3. 如图3所示,两根平行金属导轨固定在同一水平面内,间距为l ,导轨左端连接一个电阻.一根质量为m 、电阻为r 的金属杆ab 垂直放置在导轨上.在杆的右方距杆为d 处有一个匀强磁场,磁场方向垂直于轨道平面向下,磁感应强度为B.对杆施加一个大小为F 、方向平行于导轨的恒力,使杆从静止开始运动,已知杆到达磁场区域时速度为v ,之后进入磁场恰好做匀速运动.不计导轨的电阻,假定导轨与杆之间存在恒定的阻力.求: (1)导轨对杆ab 的阻力大小Ff. (2)杆ab 中通过的电流及其方向.(3)导轨左端所接电阻的阻值R.答案 (1)F -mv22d (2)mv22Bld ,方向由a 流向b (3)2B2l2dmv -r解析 (1)杆ab 进入磁场前做匀加速运动,有 F -Ff =ma v2=2ad解得导轨对杆的阻力Ff =F -mv22d(2)杆ab 进入磁场后做匀速运动,有 F =Ff +F 安杆ab 所受的安培力F 安=IBl解得杆ab 中通过的电流I =mv22Bld由右手定则判断杆中的电流方向自a 流向b (3)杆运动过程中产生的感应电动势E =Blv杆中的感应电流I =ER +r解得导轨左端所接电阻阻值R =2B2l2dmv-r13.如图,二相互平行的光滑金属导轨位于水平面内,间距,在导轨的一端接有阻值为的电阻;在区域有一与水平面垂直的均匀磁场;一质量为的金属杆垂直放置在导轨上并以的初速度进入磁场中,在安培力及垂直于杆的水平外力F共同作用下做匀变速直线运动,加速度大小为方向与初速度方向相反;设导轨及金属杆的电阻均不计且接触良好求:(1)电流为0时金属杆所处的位置(2)电流为最大值的一半时施加在金属杆上外力F的大小及方向(3)保持其它条件不变而初速度取不同值,则开始时外力F的方向与初速度取值的关系?解析:由题意知杆必向右作匀减速直线运动到速度为0后再向左作匀加速直线运动直到离开磁场区域,故电流为0时表示杆的速度为0;杆向右匀减速直线运动的位移为得;杆的运动速度变化时电路中的电动势变化,故电流相应变化,由电动势有杆运动的速度最大则电路中感应电动势最大、电流最大,即最大电流必为;当电流为最大值的一半时即时:①若此时杆向右运动,则外力方向不定,我们假设外力F水平向右由牛顿定律有即,故杆向右运动中外力F大小为0.18N方向水平向左;②若此时杆向左运动,则外力F方向必水平向左且有即代入数据得。
(3)杆开始运动时速度为,则电动势为,故安培力为;那么对杆由牛顿定律有即:当即时,表示外力F方向与X轴方向相反;当即时,表示外力F 方向与X 轴方向相同.【例2】如图所示,质量m1=0.1kg ,电阻R1=0.3Ω,长度l=0.4m 的导体棒ab 横放在U 型金属框架上。
框架质量m2=0.2kg ,放在绝缘水平面上,与水平面间的动摩擦因数μ=0.2,相距0.4m 的MM ’、NN ’相互平行,电阻不计且足够长。
电阻R2=0.1Ω的MN 垂直于MM ’。
整个装置处于竖直向上的匀强磁场中,磁感应强度B=0.5T 。
垂直于ab 施加F=2N 的水平恒力,ab 从静止开始无摩擦地运动,始终与MM ’、NN ’保持良好接触,当ab 运动到某处时,框架开始运动。
设框架与水平面间最大静摩擦力等于滑动摩擦力,g 取10m/s2.(1)求框架开始运动时ab 速度v 的大小;(2)从ab 开始运动到框架开始运动的过程中,MN 上产生的热量Q=0.1J ,求该过程ab 位移x 的大小。
【解析】:(1)ab 对框架的压力11F m g= ①框架受水平面的支持力21N F m g F =+②依题意,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,则框架受到最大静摩擦力2NF F μ= ③ab 中的感应电动势E Blv =④ MN 中电流12E I R R =+⑤MN 受到的安培力F IlB =安 ⑥框架开始运动时2F F =安 ⑦ 由上述各式代入数据解得6/v m s =⑧(2)闭合回路中产生的总热量122R R Q Q R +=总 ⑨由能量守恒定律,得2112Fx m v Q =+总 ⑩代入数据解得 1.1x m = ○11【例3】如图7-9甲所示,一对平行光滑轨道放置在水平面上,两轨道间距L=0.20m ,电阻R=1.0Ω,有一导体杆静止放在轨道上,与两轨道垂直,杆及轨道的电阻可忽略不计,整个装置处于磁感强度B=0.50T 的匀强磁场中,磁场方向垂直轨道面向下,现用一外力F 沿轨道方向拉杆,使之做匀加速运动,测得力F 与时间t 的关系如图7-9乙所示,求杆的质量m 和加速度a.(1)如图所示。