“微元法”在含电容器电路中的应用

来源 :中学生数理化·高二版 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lipengzhangchinese
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  高中物理中用到的“微元法”是从数学微积分中移植过来的方法,它是把研究对象分割成无限多个无限小的部分,或把物理过程分解成无限多个无限短的过程,抽取其中一个微小部分或极短过程加以研究的方法。运用“微元法”求解电磁感应与含电容器电路的综合问题时,往往可以将变量转化为常量,将非理想模型转化为理想模型,使复杂问题变得简单易解。
  例1如图1所示,水平放置的光滑平行导轨处于垂直于水平面向下(垂直于纸面向里)的匀强磁场中,磁感应强度为B,导轨间距为L,导轨左端接有电容为c的电容器,金属棒ab垂直于导轨放置,其质量为m,电阻为R(导轨电阻不计,且足够长)。现有恒力F作用在金属棒上,若电容器的耐压值为U,则:
  (1)当金属棒的速度为v时,求电容器所带的电荷量。
  (2)若要求电容器不被烧坏,则金属棒运动的最长时间为多少?
  解析:(1)当金属棒的速度为v时,金属棒切割磁感线产生的感应电动势E=BLv,电容器两端的电压U1=E,根据Q=CUl可得,电容器所带的电荷量Q—CBLv。
  (2)取极短时间△t,则金属棒的速度变化量为Av,因此电容器所带电荷量的变化量
  点评:本题中金属棒做单向的匀加速直线运动,利用微元法求得金属棒的加速度是解决问题的关键。
  侧2如图2所示,水平面内有两根足够长的平行导轨L1、L2,其间距d=O.5m,导轨左端接有电容c=2 000 uF的电容器。质量m=20g的导体棒可在导轨上无摩擦地滑动,导体棒和导轨的电阻不计。整个空间存在垂直于导轨所在平面向下(垂直于纸面向里)的匀强磁场,磁感应强度B=2T。现用一沿导轨方向向右的恒力F1=O.44 N作用在导体棒上,使导体棒从静止开始运动,经时间t后到达B处,速度变为v=5m/s。此时,突然将拉力方向变为沿导轨方向向左,大小变为F2,又经时间2£后导体棒返回到初始位置A处。在整个过程中电容器未被击穿。求:
  点评:外力反向时,导体棒的运动状态要发生变化,当导体棒沿原方向做减速运动时,电容器放电,当导体棒沿反方向做加速运动时,电容器充电,但电流方向不变,导体棒所受安培力方向不变,因此在外力反向的全过程中导体棒均做匀变速运动。
  如图3所示,两条平行导轨所在平面与水平地面间的夹角为θ,间距为L。导轨上端接有一平行板电容器,电容为c。导轨处于匀强磁场中,磁感应强度大小为B,方向垂直于导轨平面。在导轨上放置一质量为m的金属棒,金属棒可沿导轨下滑,且在下滑过程中保持与导轨垂直并良好接触。已知金属棒与导轨之间的动摩擦因数为u,重力加速度大小为g。忽略所有电阻。让金属棒从导轨上端由静止开始下滑,求:
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