高考物理二轮专题复习电磁感应中单双棒问题归类例析

高考物理二轮专题复习电磁感应中单双棒问题归类例析

高考物理二轮专题复习：电磁感应中“单、双棒”问题归类例析 一、单棒问题：‎ ‎ 1.单棒与电阻连接构成回路：‎ 例1、如图所示，MN、PQ是间距为L的平行金属导轨，置于磁感强度为B、方向垂直导轨所在平面向里的匀强磁场中，M、P间接有一阻值为R的电阻．一根与导轨接触良好、阻值为R／2的金属导线ab垂直导轨放置 ‎（1）若在外力作用下以速度v向右匀速滑动，试求ab两点间的电势差。‎ ‎（2）若无外力作用，以初速度v向右滑动，试求运动过程中产生的热量、通过ab电量以及ab发生的位移x。‎ ‎2、杆与电容器连接组成回路 例2、如图所示, 竖直放置的光滑平行金属导轨, 相距l , 导轨一端接有一个电容器, 电容量为C, 匀强磁场垂直纸面向里, 磁感应强度为B, 质量为m的金属棒ab可紧贴导轨自由滑动. 现让ab由静止下滑, 不考虑空气阻力, 也不考虑任何部分的电阻和自感作用. 问金属棒的做什么运动？棒落地时的速度为多大？ ‎ ‎3、杆与电源连接组成回路 例3、如图所示，长平行导轨PQ、MN光滑，相距m，处在同一水平面中，磁感应强度B=0.8T的匀强磁场竖直向下穿过导轨面．横跨在导轨上的直导线ab的质量m =0.1kg、电阻R =0.8Ω，导轨电阻不计．导轨间通过开关S将电动势E =1.5V、内电阻r =0.2Ω的电池接在M、P两端，试计算分析：‎ ‎（1）在开关S刚闭合的初始时刻，导线ab的加速度多大？随后ab的加速度、速度如何变化？‎ ‎（2）在闭合开关S后，怎样才能使ab以恒定的速度υ =7.5m/s沿导轨向右运动？试描述这时电路中的能量转化情况（通过具体的数据计算说明）．‎ B v0‎ L a c d b 二、双杆问题：‎ ‎1、双杆所在轨道宽度相同——常用动量守恒求稳定速度 例4、两根足够长的固定的平行金属导轨位于同一水平面内，两导轨间的距离为L。导轨上面横放着两根导体棒ab和cd，构成矩形回路，如图所示．两根导体棒的质量皆为m，电阻皆为R，回路中其余部分的电阻可不计．在整个导轨平面内都有竖直向上的匀强磁场，磁感应强度为B．设两导体棒均可沿导轨无摩擦地滑行．开始时，棒cd静止，棒ab有指向棒cd 的初速度v0．若两导体棒在运动中始终不接触，求：‎ ‎（1）在运动中产生的焦耳热最多是多少．‎ ‎（2）当ab棒的速度变为初速度的3/4时，cd棒的加速度是多少？‎ 乙 甲 F 例5、如图所示，两根平行的金属导轨，固定在同一水平面上，磁感应强度B=0.50T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=0.20m。两根质量均为m=0.10kg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0.20N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=1.37m/s2，问此时两金属杆的速度各为多少？‎ ‎2、双杆所在轨道宽度不同——常用动量定理找速度关系 a a/‎ b b/‎ d d/‎ c c/‎ e f g h 例6、如图所示，abcd和a/b/c/d/为水平放置的光滑平行导轨，区域内充满方向竖直向上的匀强磁场。ab、a/b/间的宽度是cd、c/d/间宽度的2倍。设导轨足够长，导体棒ef的质量是棒gh的质量的2倍。现给导体棒ef一个初速度v0，沿导轨向左运动，当两棒的速度稳定时，两棒的速度分别是多少？‎ ‎3、磁场方向与导轨平面不垂直 F θ θ B a b d c e f ‎1‎ ‎2‎ 例7、如图所示，ab和cd是固定在同一水平面内的足够长平行金属导轨，ae和cf是平行的足够长倾斜导轨，整个装置放在竖直向上的匀强磁场中。在水平导轨上有与导轨垂直的导体棒1，在倾斜导轨上有与导轨垂直且水平的导体棒2，两棒与导轨间接触良好，构成一个闭合回路。已知磁场的磁感应强度为B，导轨间距为L，倾斜导轨与水平面夹角为θ，导体棒1和2质量均为m，电阻均为R。不计导轨电阻和一切摩擦。现用一水平恒力F作用在棒1上，从静止开始拉动棒1，同时由静止开始释放棒2，经过一段时间，两棒最终匀速运动。忽略感应电流之间的作用，试求：‎ ‎（1）水平拉力F的大小；‎ ‎（2）棒1最终匀速运动的速度v1的大小。‎ 三、轨道滑模型 例8、如图所示，abcd为质量m的U形导轨，ab与cd平行，放在光滑绝缘的水平面上，另有一根质量为m的金属棒PQ平行bc放在水平导轨上，PQ棒右边靠着绝缘竖直光滑且固定在绝缘水平面上的立柱e、f,U形导轨处于匀强磁场中，磁场以通过e、f的O1O2为界，右侧磁场方向竖直向上，左侧磁场方向水平向左，磁感应强度大小都为B，导轨的bc段长度为L,金属棒PQ的电阻R，其余电阻均可不计，金属棒PQ与导轨间的动摩擦因数为μ，在导轨上作用一个方向向右，大小F==mg的水平拉力，让U形导轨从静止开始运动．设导轨足够长．求： ‎ ‎ (1)导轨在运动过程中的最大速度υm ‎ ‎ (2)若导轨从开始运动到达到最大速度υm的过程中，流过PQ棒的总电量为q，则系统增加的内能为多少?‎ 练习：‎ ‎1、如右图所示，一平面框架与水平面成37°角，宽L=0.4 m，上、下两端各有一个电阻R0＝1 Ω，框架的其他部分电阻不计，框架足够长.垂直于框平面的方向存在向上的匀强磁场，磁感应强度B＝2T.ab为金属杆，其长度为L＝0.4 m，质量m＝0.8 kg，电阻r＝0.5Ω，棒与框架的动摩擦因数μ＝0.5.由静止开始下滑，直到速度达到最大的过程中，上端电阻R0产生的热量Q0＝0.375J(已知sin37°＝0.6，cos37°=0.8；g取10m／s2)求：‎ ‎(1)杆ab的最大速度；‎ ‎(2)从开始到速度最大的过程中ab杆沿斜面下滑的距离；在该过程中通过ab的电荷量.‎ a b C v0‎ ‎2、光滑U型金属框架宽为L，足够长，其上放一质量为m的金属棒ab，左端连接有一电容为C的电容器，现给棒一个初速v0，使棒始终垂直框架并沿框架运动，如图所示。求导体棒的最终速度。‎ ‎3、如图所示,两根间距为l的光滑金属导轨(不计电阻),由一段圆弧部分与一段无限长的水平段部分组成.其水平段加有竖直向下方向的匀强磁场,其磁感应强度为B,导轨水平段上静止放置一金属棒cd,质量为2m,电阻为2r.另一质量为m,电阻为r的金属棒ab,从圆弧段M处由静止释放下滑至N处进入水平段,圆弧段MN半径为R,所对圆心角为60°,求：‎ ‎（1）ab棒在N处进入磁场区速度多大？此时棒中电流是多少？‎ ‎（2） cd棒能达到的最大速度是多大？‎ ‎（3）ab棒由静止到达最大速度过程中,‎ 系统所能释放的热量是多少？‎ 乙 甲 F ‎4、如图所示，两根平行的金属导轨，固定在同一水平面上，磁感应强度B=0.50T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=0.20m。两根质量均为m=0.10kg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0.20N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=1.37m/s2，问此时两金属杆的速度各为多少？‎ 电磁感应中“单棒、双棒”问题归类例析答案 一、单棒问题：‎ ‎ 1.单棒与电阻连接构成回路：‎ 例1.解析：（1）ab运动切割磁感线产生感应电动势E，所以ab相当于电源，与外电阻R构成回路。‎ ‎∴Uab=‎ ‎（2）若无外力作用则ab在安培力作用下做减速运动，最终静止。动能全部转化为电热。‎ ‎。由动量定理得：即，∴。，∴。‎ ‎2、杆与电容器连接组成回路 例2 .解析：ab在mg 作用下加速运动，经时间 t ，速度增为v，a =v / t 产生感应电动势 E=Bl v ‎ 电容器带电量 Q=CE=CBl v，感应电流I=Q/t=CBL v/ t=CBl a 产生安培力F=BIl =CB2 l 2a，由牛顿运动定律 mg-F=ma ma= mg - CB2 l 2a ，a= mg / (m+C B2 l 2)‎ ‎∴ab做初速为零的匀加直线运动, 加速度 a= mg / (m+C B2 l 2)‎ 落地速度为 ‎3、杆与电源连接组成回路 例3．解析（1）在S刚闭合的瞬间，导线ab速度为零，没有电磁感应现象，由a到b的电流，ab受安培力水平向右，此时瞬时加速度 ‎ ‎ ab运动起来且将发生电磁感应现象．ab向右运动的速度为υ时，感应电动势，根据右手定则，ab上的感应电动势（a端电势比b端高）在闭合电路中与电池电动势相反．电路中的电流（顺时针方向，）将减小（小于I0=1.5A），ab所受的向右的安培力随之减小，加速度也减小．尽管加速度减小，速度还是在增大，感应电动势E随速度的增大而增大，电路中电流进一步减小，安培力、加速度也随之进一步减小，当感应电动势与电池电动势E相等时，电路中电流为零，ab所受安培力、加速度也为零，这时ab的速度达到最大值，随后则以最大速度继续向右做匀速运动．‎ 设最终达到的最大速度为υm，根据上述分析可知：‎ 所以m/s=3.75m/s．‎ ‎（2）如果ab以恒定速度m/s向右沿导轨运动，则ab中感应电动势 V=3V 由于＞，这时闭合电路中电流方向为逆时针方向，大小为：A=1.5A 直导线ab中的电流由b到a，根据左手定则，磁场对ab有水平向左的安培力作用，大小为N=0.6N 所以要使ab以恒定速度m/s向右运动，必须有水平向右的恒力N作用于ab．‎ 上述物理过程的能量转化情况，可以概括为下列三点：‎ ‎①作用于ab的恒力（F）的功率：W=4.5W ‎②电阻（R +r）产生焦耳热的功率：W=2.25W ‎③逆时针方向的电流，从电池的正极流入，负极流出，电池处于“充电”状态，吸收能量，以化学能的形式储存起来．电池吸收能量的功率：W=2.25W 由上看出，，符合能量转化和守恒定律（沿水平面匀速运动机械能不变）．‎ 二、双杆问题：‎ B v0‎ L a c d b ‎1、双杆所在轨道宽度相同——常用动量守恒求稳定速度 例4．解析：ab棒向cd棒运动时，两棒和导轨构成的回路面积变小，磁通量发生变化，于是产生感应电流．ab棒受到与运动方向相反的安培力作用作减速运动，cd棒则在安培力作用下作加速运动．在ab棒的速度大于cd 棒的速度时，回路总有感应电流，ab棒继续减速，cd棒继续加速．两棒速度达到相同后，回路面积保持不变，磁通量不变化，不产生感应电流，两棒以相同的速度v作匀速运动．‎ ‎（1）从初始至两棒达到速度相同的过程中，两棒总动量守恒，有 根据能量守恒，整个过程中产生的总热量 ‎ ‎（2）设ab棒的速度变为初速度的3/4时，cd棒的速度为v1，则由动量守恒可知：‎ ‎。此时回路中的感应电动势和感应电流分别为：，。此时棒所受的安培力：，所以棒的加速度为 由以上各式，可得 。‎ 例5乙 甲 F ．解析：设任一时刻t两金属杆甲、乙之间的距离为x，速度分别为v1和v2，经过很短的时间△t，杆甲移动距离v1△t，杆乙移动距离v2△t，回路面积改变 由法拉第电磁感应定律，回路中的感应电动势 回路中的电流 ，杆甲的运动方程 由于作用于杆甲和杆乙的安培力总是大小相等，方向相反，所以两杆的动量时为0）等于外力F的冲量。联立以上各式解得 ，代入数据得 ‎2、双杆所在轨道宽度不同——常用动量定理找速度关系 例6a a/‎ b b/‎ d d/‎ c c/‎ e f g h ．解析：当两棒的速度稳定时，回路中的感应电流为零，设导体棒ef的速度减小到v1， 导体棒gh的速度增大到v2，则有2BLv1-BLv2=0，即v2=2v1。对导体棒ef由动量定理得： 对导体棒gh由动量定理得：。由以上各式可得：。‎ ‎3、磁场方向与导轨平面不垂直 F θ θ B a b d c e f ‎1‎ ‎2‎ 例7．解析（1）1棒匀速：2棒匀速：‎ 解得：‎ ‎（2）两棒同时达匀速状态，设经历时间为t，过程中平均感应电流为，据动量定理，‎ 对1棒：；对2棒：‎ 联立解得：‎ 匀速运动后，有：， 解得：‎ 三、轨道滑模型 例8.解析：(1)当导轨的加速度为零时，导轨速度最大为υm。导轨在水平方向上受到外力F、水平向左的安培力F1和滑动摩擦力F2，则 ‎，，即 以PQ棒为研究对象，PQ静止，在竖直方向上受重力mg、竖直向上的支持力N和安培力F3，则，得，将F1和F2代入解得 ‎，得 ‎(2)设导轨从开始运动到达到最大速度的过程中，移动的距离为S，在这段过程中，经过的时间为t,PQ棒中的平均电流强度为I1，QPbC回路中的平均感应电动势为E1，则 ‎，得。设系统增加的内能为，由功能关系得：，则 练习：‎ ‎1.解析：该题是一道考察电磁感应、安培力、闭合电路欧姆定律及力学有关知识的综合题，解题的关键是要正确分析金属杆的运动及受力的变化情况。‎ （1） 杆ab达到平衡时的速度即为最大速度v，这时 mgsinθ—F— =0，N=mgcosθ ‎∴F=mg（sinθ—μcosθ）‎ 总电阻，，，‎ ‎，得 克服磁场力所做的功数值上等于产生的总电能即 ‎，由动能定理：‎ 通过ab的电荷量　，代入数据得q＝2 C ‎2.解析：当金属棒ab做切割磁力线运动时，要产生感应电动势，这样，电容器C将被充电，ab棒中有充电电流存在，ab棒受到安培力的作用而减速，当ab棒以稳定速度v匀速运动时，有：‎ BLv=UC=q/C 而对导体棒ab利用动量定理可得：-BLq=mv-mv0 ‎ 由上述二式可求得： ‎ ‎3、解析：(1)ab棒由静止从M滑下到N的过程中,只有重力做功,机械能守恒,所以到N处速度可求,进而可求ab棒切割磁感线时产生的感应电动势和回路中的感应电流.ab棒由M下滑到N过程中,机械能守恒,故有 ‎，解得。进入磁场区瞬间,回路中电流强度I为 ‎ ‎(2)设ab棒与cd棒所受安培力的大小为F,安培力作用时间为 t,ab 棒在安培力作用下做减速运动,cd棒在安培力作用下做加速运动,当两棒速度达到相同速度v’时,电路中电流为零,安培力为零,cd达到最大速度.‎ 运用动量守恒定律得：‎ 解得 ‎(3)系统释放热量应等于系统机械能减少量,故有： ‎ 解得 ‎4、乙 甲 F 解析：设任一时刻t两金属杆甲、乙之间的距离为x，速度分别为v1和v2，经过很短的时间△t，杆甲移动距离v1△t，杆乙移动距离v2△t，回路面积改变 由法拉第电磁感应定律，回路中的感应电动势 回路中的电流 ，杆甲的运动方程 由于作用于杆甲和杆乙的安培力总是大小相等，方向相反，所以两杆的动量时为0）等于外力F 的冲量。联立以上各式解得 ，代入数据得