高中物理专题15:电磁感应力学综合题
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高三第二轮物理专题复习学案
——电磁感应中的力学问题
电磁感应中中学物理的一个重要“节点”,不少问题涉及到力和运动、动量和能量、电路和安培力等多方面的知识,综合性强,也是高考的重点和难点,往往是以“压轴题”形式出现.因此,在二轮复习中,要综合运用前面各章知识处理问题,提高分析问题、解决问题的能力.
本学案以高考题入手,通过对例题分析探究,让学生感知高考命题的意图,剖析学生分析问题的思路,培养能力.
例1.【2003年高考江苏卷】如右图所示,两根平行金属导端点P 、Q 用电阻可忽略的
导线相连,两导轨间的距离l =0.20 m .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 =0.020 T /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,轨固定在水平桌面上,每根导轨每m 的电阻为r 0=0.10Ω/m ,导轨的金属杆紧靠在P 、Q 端,在外力作用下,杆恒定的加速度从静止开始向导轨的另一端滑动,求在t =6.0 s 时金属杆所受的安培力. [解题思路] 以a 示金属杆运动的加速度,在t 时刻,金属杆与初始位置的距离L =2
1at 2 此时杆的速度v =at
这时,杆与导轨构成的回路的面积S=L l
回路中的感应电动势E =S
t
B
∆∆+B lv 而k t
Bt
t t B t B kt
B =∆-∆+=∆∆=)( 回路的总电阻 R =2Lr 0 回路中的感应电流,R
E
I
=
作用于杆的安培力F =BlI
解得t r l k F 0
2
223= 代入数据为F =1.44×10-3N
例2. (2000年高考试题)如右上图所示,一对平行光滑R 轨道放置在水平地面上,两轨道间距L =0.20 m ,电阻R =1.0 Ω;有一导体杆静止地放在轨道上,与两轨道垂直,杆与轨道的电阻皆可忽略不计,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 的关系如下图所示.求杆的质量m 和加速度a .
解析:导体杆在轨道上做匀加速直线运动,用v 表示其速度,t 表示时间,则有v =at ① 杆切割磁感线,将产生感应电动势E =BLv ②
在杆、轨道和电阻的闭合回路中产生电流I=E/R ③ 杆受到的安培力为F
安=IBL ④ 根据牛顿第二定律,有F -F 安=ma ⑤
联立以上各式,得at R
l B ma F 2
2 ⑥
由图线上各点代入⑥式,可解得 a =10m/s 2,m =0.1kg
例3. (2003年高考新课程理综)两根平行的金属导轨,固定在同一水平面上,磁感强度B =0.05T 的匀强磁场与导轨所在平面垂直,导轨的电阻很小,可忽略不计.导轨间的距离l =0.20 m .两根质量均为m =
0.10 kg 的平行金属杆甲、乙可在导轨上无摩擦地滑动,滑动过程中与导轨保持垂直,每根金属杆的电阻为R =0.50Ω.在t =0时刻,两杆都处于静止状态.现有一与导轨平行、大小为0.20 N 的恒力F 作用于金属杆甲上,使金属杆在导轨上滑动.经过t =5.0s ,金属杆甲的加速度为a =1.37 m /s ,问此时两金属杆的速度各为多少?
本题综合了法拉第电磁感应定律、安培力、左手定则、牛顿第二定律、动量定理、全电路欧姆定律等知识,考查考生多角度、全方位综合分析问题的能力.
设任一时刻t ,两金属杆甲、乙之间的距离为x ,速度分别为v l 和v 2,经过很短的时间△t ,杆甲移动距离v 1△t ,杆乙移动距离v 2△t ,回路面积改变
△S =[(x 一ν2△t )+ν1△t]l —l χ=(ν1-ν2) △t 由法拉第电磁感应定律,回路中的感应电动势 E =B △S/△t =B ι(νl 一ν2) 回路中的电流 i =E /2 R
杆甲的运动方程 F —B l i =ma
由于作用于杆甲和杆乙的安培力总是大小相等、方向相反,所以两杆的动量(t =0时为0)等于外力F 的冲量.
Ft =m νl +m ν2 联立以上各式解得
ν1=[Ft/m +2R(F 一ma)/B 2l 2]/2 ν2=[Ft /m 一2R(F 一ma)/B 2l 2]/2
代入数据得移νl =8.15 m /s ,v 2=1.85 m /s
练习
1、.如图l ,ab 和cd 是位于水平面内的平行金属轨道,其电阻可忽略不计.af 之间连接一阻值为R 的电阻.ef 为一垂直于ab 和cd 的金属杆,它与ab 和cd 接触良好并可沿轨道方向无摩擦地滑动.ef 长为l ,电阻可忽略.整个装置处在匀强磁场中,磁场方向垂直于图中纸面向里,磁感应强度为B ,当施外力使杆ef 以速度v 向右匀速运动时,杆ef 所受的安培力为( A ).
R l
vB A 2.
R v B l
B R l
vB C 2 R
v B l
D 2
图1 图2
2、如图2所示·两条水平虚线之间有垂直于纸面向里、宽度为d 、磁感应强度为B 的匀强磁场.质量为m 、电阻为R 的正方形线圈边长为L(L C .线圈的最小速度一定是mgR /B 2 L 2 D .线圈的最小速度一定是)(2l d h g +- 3、如图3所示,竖直放置的螺线管与导线abed 构成回路,导线所围区域内有一垂直纸面向里的变化的匀强磁场,螺线管下方水平面桌面上有一导体圆环.导线abcd 所围区域内磁场的磁感强度按图1 5—11中哪一图线所表示的方式随时问变化时,导体圆环将受到向上的磁场力作用?( A ). 图3 A B C D 4、如图4所示,磁感应强度的方向垂直于轨道平面倾斜向下,当磁场从零均匀增大时,金属杆ab 始终处于静止状态,则金属杆受到的静摩擦力将( D ). A .逐渐增大 B .逐渐减小 C .先逐渐增大,后逐渐减小 D .先逐渐减小,后逐渐增大 图4