电磁感应中典型问题的分析

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  以电磁感应问题为载体考查同学们分析问题和解决问题的能力是高考命题的热点和重点,本文根据我教学过程发现的两个典型例题为例,希望给同学们起到抛砖引玉的作用.
  图1
  例1 如图1所示,两足够长的平行光滑金属导轨倾斜放置,与水平面间的夹角为θ,两导轨之间距离为L,导轨上端m、n之间通过导线连接,有理想边界的匀强磁场垂直于导轨平面向上,虚线ef为磁场边界,磁感应强度为B.一质量为m的光滑金属棒ab从距离磁场边界S处由静止释放,金属棒接入两轨道间的电阻r,其余部分的电阻忽略不计,ab、ef均垂直导轨.从金属棒ab刚进入磁场开始计时,画出金属棒ab在磁场中的速度时间图象.
  解析:
  设金属棒ab刚进入磁场时的速度为v1,由动能定理得:
  mgSsinθ=12mv21-0,
  解得:v1=2gSsinθ,此时金属棒
  ab的电流为I1=E1/r,金属棒ab产生的感应电动势为
  E1=BLv1,金属棒ab受到的安培力大小为
  F1=BI1L=B2L2v1r,方向平行于导轨向上,金属棒
  ab的重力沿平行于导轨向下的分力为
  mgsinθ,由于题中没有给出具体数据需要讨论:
  (1)若F1=B2L2v1r
  =mgsinθ,金属棒ab进入磁场后做匀速直线运动,画出金属棒ab在磁场中的速度时间图象如图2所示.
  图2 图3 图4
  (2)若F1=B2L2v1r mgsinθ,金属棒ab进入磁场后先做加速度减小的减速运动,当加速度减小为零时,金属棒ab开始做匀速运动,画出金属棒ab在磁场中的速度时间图象如图3所示.
  (3)若 F1=B2L2v1rmgsinθ,金属棒ab进入磁场后先做加速度减小的加速运动,当加速度减小为零时,金属棒ab开始做匀速运动,画出金属棒ab在磁场中的速度时间图象如图4所示.
  图5
  例2 如图5所示,两足够长的平行光滑金属导轨倾斜放置,与水平面间的夹角为
  θ=37°,两导轨之间距离为L=0.2 m,导轨上端m、n之间通过导线连接,有理想边界的匀强磁场垂直于导轨平面向上,虚线ef为磁场边界,磁感应强度为
  B=2.0 T.一质量为
  m=0.05 kg的光滑金属棒ab从距离磁场边界
  0.75 m处由静止释放,金属棒接入两轨道间的电阻
  r=0.4 Ω,其余部分的电阻忽略不计, ab、
  ef均垂直导轨.(取g=10 m/s2,
  sin37°=0.6,
  cos37°=0.8)
  求:(1) 棒最终在磁场中匀速运动时的速度;
  (2) 棒运动过程中的最大加速度.
  解析:
  (1)设金属棒ab刚进入磁场时的速度为v1,由动能定理得:
  mgSsinθ=12
  mv21-0,
  代入数据解得:
  v1=3 m/s,此时金属棒ab的电流为
  I1=E1/r,金属棒ab产生的感应电动势为
  E1=BLv1,金属棒ab受到的安培力大小为
  F1=BI1L=B2L2v1r
  =1.2 N,方向平行于导轨向上,金属棒
  ab的重力沿平行于导轨向下的分力为
  mgsinθ=mgsin37°=0.3 N,所以
  F1=B2L2v1rmgsinθ ,金属棒ab进入磁场后先做加速度减小的减速运动,当加速度减小为零时,金属棒ab开始做匀速运动,设ab棒最终在磁场中匀速运动时的速度为v2,此时金属棒ab的电流为
  I2=E2/r,金属棒ab产生的感应电动势为
  E2=BLv2,金属棒ab受到的安培力大小为
  F2=BI2L=B2L2v2r,由物体的平衡知识可得:
  B2L2v2r
  =mgsinθ,解得: v2=0.75 m/s.
  (2)由题意可得:金属棒ab刚进入磁场时, 棒运动过程中有最大加速度,此时由牛顿第二定律可得:
  F1-mgsinθ=mam,解得:
  am=18 m/s2,方向沿导轨斜面向上.
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