电磁感应中导体棒类问题归类剖析

党团工作 |

时间:

2021-07-22 10:09:16

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电磁感应中的导轨上的导体棒问题是历年高考的热点。其频考的原因,是因为该类问题是力学和电学的综合问题,通过它可以考查考生综合运用知识的能力。解滑轨上导体棒的运动问题,首先要挖掘出导体棒的稳定条件及它最后能达到的稳定状态,然后才能利用相关知识和稳定条件列方程求解。下文是常见导轨上只有一个导体棒问题及结合典型例题的剖析。

一、滑轨上只有一个导体棒的问题

滑轨上只有一个导体棒的问题,分两类情况:一种是含电源闭合电路的导体棒问题,另一种是闭合电路中的导体棒在安培力之外的力作用下的问题。

(一)含电源闭合电路的导体棒问题

例1:如图1所示,水平放置的光滑导轨MN、PQ上放有长为L、电阻为R、质量为m的金属棒ab,导轨左端接有内阻不计、电动势为E的电源组成回路,整个装置放在竖直向上的匀强磁场B中,导轨电阻不计且足够长,并与电键S串联。当闭合电键后,求金属棒可达到的最大速度。

解析:闭合电键后,金属棒在安培力的作用下向右运动。当金属棒的速度为v时,产生的感应电动势,它与电源电动势为反接,从而导致电路中电流减小,安培力减小,金属棒的加速度减小,即金属棒做的是一个加速度越来越小的加速运动。但当加速度为零时,导体棒的速度达到最大值,金属棒产生的电动势与电源电动势大小相等,回路中电流为零,此后导体棒将以这个最大的速度做匀速运动。

金属板速度最大时,有BLVM=E 解得VM=E/(BL)

点评:本题的稳定状态是金属棒最后的匀速运动;稳定条件是金属棒的加速度为零(安培力为零,棒产生的感应电动势与电源电动势大小相等)

(二)闭合电路中的导体棒在安培力之外的力作用下的问题

1. 导体棒在外力作用下从静止运动问题

例2(全国高考题):如图2,光滑导体棒bc固定在竖直放置的足够长的平行金属导轨上,构成框架abcd,其中bc棒电阻为R,其余电阻不计。一质量为m且不计电阻的导体棒ef水平放置在框架上,且始终保持良好接触,能无摩擦地滑动。整个装置处在磁感应强度为B的匀强磁场中,磁场方向垂直框面。若用恒力F向上拉ef,则当ef匀速上升时,速度多大?

解析:当ef棒向上运动的速度变大时,ef棒产生的感应电动势变大,感应电流I=E/R变大,它受到的向下的安培力F安=BIL变大,因拉力F和重力mg都不变,故加速度a=(F-mg-F安)/m变小。因此,棒ef做加速度越来越小的变加速运动。当a=0时(稳定条件),棒达到最大速度,此后棒做匀速运动(达到稳定状态)。当棒匀速运动时(设速度为Vm),由物体的平衡条件有:

F=F安+mgF安=BIL=(B2L2Vm)/R

由以上二式解得:Vm=(F-mg)R/(B2L2)

点评:应用力学观点解导体棒问题的程度:(a)分析棒的受力情况,判断各力的变化情况;(b)分析棒的运动情况,判断加速度和速度的变化情况;(c)分析棒的最终运动情况,依平衡条件或牛顿第二定律列方程。 本题的棒与框架无论有无摩擦,棒的最终状态是静止。不过,无摩擦时,原来棒的动能全部要转变成R上产生的热量。

总之,通过以上的分析,可以看出:对导轨上的单导体棒问题,其稳定状态就是导体棒最后达到的匀速运动状态。稳定条件是导体棒的加速度为零。

注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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