2013高考物理 重點難點例析 專題9 導體切割磁感線的運動

專題九 導體切割磁感線的運動重點難點1楞次定律：推廣可以具體簡化為以下三種情況：阻礙原磁通的變化；阻礙導體間的相對運動；阻礙原電流的變化2應用法拉第電磁感應定律時應注意：一般用E = n（或E = ）求平均電動勢，用E = Bl求瞬時電動勢，但當s隨t均勻變化時，由于電動勢恒定，平均電動勢和瞬時電動勢相等，可用E = n求某一時刻的電動勢；勻強磁場中，B、l、相互垂直，導體平動切割磁感線時E = Bl，繞固定轉軸轉動時E = Bl2規(guī)律方法【例1】如圖所示，在磁感應強度大小為B，方向垂直紙面向里的勻強磁場中，有一個質量為m、半徑為r、電阻為R的均勻圓形導線圈，線圈平面跟磁場垂直（位于紙面內），線圈與磁場邊緣（圖中虛線）相切，切點為A，現在A點對線圈施加一個方向與磁場垂直，位于線圈平面內的，并跟磁場邊界垂直的拉力F，將線圈以速度勻速拉出磁場以切點為坐標原點，以F的方向為正方向建立x軸，設拉出過程中某時刻線圈上的A點的坐標為x（1）寫出此時F的大小與x的關系式；（2）在F-x圖中定性畫出F-x關系圖線，寫出最大值F0的表達式【解析】由于線圈沿F方向作切割磁感線運動，線圈上要產生順時針方向的感應電流，從而要受到與F方向反向的安培力Ff作用，由圖可知，此時線圈切割磁感線的有效長度l = 2線圈上感應電動勢，感應電流i = 線圈所受安培力大小為Ff = Bil，方向沿x負方向因線圈被勻速拉出，所以F = Ff解上各式得F = x-x2（2）當x = r時，拉力F最大，最大值為F0 = 圖線如圖所示訓練題如圖（甲）所示，一對平行光滑軌道放置在水平面上，兩軌道間距l(xiāng)0.20m，電阻R1.0；有一導體桿靜止地放在軌道上，與兩軌道垂直，桿及軌道的電阻皆可忽略不計，整個裝置處于磁感強度B0.50T的勻強磁場中，磁場方向垂直軌道面向下，現用一外力F沿軌道方向拉桿，使之做勻加速運動，測得力F與時間t的關系如圖（乙）所示，求桿的質量m和加速度a答案：a=10m/s2，m=01kg 【例2】如圖所示，兩根相距l(xiāng)平行放置的光滑導電軌道，與水平面傾角均為軌道間有電阻R，處于磁感應強度為B方向豎直向上的勻強磁場中，一根質量為m、電阻為R/4的金屬桿ab，由靜止開始沿導電軌道下滑設下滑中ab桿始終與軌道保持垂直，且接觸良好，導電軌道有足夠的長度，且電阻不計，求ab桿沿軌道下滑可達到的最終速度【解析】當ab桿沿軌道加速下滑至速度時，ab桿上的電動勢為E = BLcosab桿與導電軌道組成的回路中的電流為I = ab桿受到的安培力為F = BIl = 方向水平向右當ab桿的速度增大至某一值m時，ab桿受到的合外力F合恰減為零，此時ab桿的加速度a也減為零，之后ab桿保持速度m沿軌道勻速下滑速度m即是ab桿沿軌道下滑可達到的最終速度據共點合力平衡條件，有mgsin = Fcos即mgsin = ·cos，解得：m = aBbcdH訓練題如圖所示，具有水平的上界面的勻強磁場，磁感強度為B，方向水平指向紙內，一個質量為m，總電阻為R的閉合矩形線框abcd在豎直平面內，其ab邊長為L，bc邊長為h，磁場寬度大于h，線框從ab邊距磁場上界面H高處自由落下，線框下落時，保持ab邊水平且線框平面豎直已知ab邊進入磁場以后，cd邊到達上邊界之前的某一時刻線框的速度已達到這一階段的最大值，此時cd邊距上邊界為h1，求：（1）線框ab邊進入磁場時的速度大??；（2）從線框ab邊進入磁場到線框速度達到最大的過程中，線框中產生的熱量；答案：（1）v=（2gh）1/2 （2）Q=mg（H+h+h1）m3R2g2/2B4L4能力訓練1一直升飛機停在南半球某處上空設該處地磁場的方向豎直向上，磁感應強度為B直升飛機螺旋槳葉片的長度為l，螺旋槳轉動的頻率為f，順著地磁場的方向看螺旋槳，螺旋槳按順時針方向轉動螺旋槳葉片的近軸端為a，遠軸端為b，如圖所示如果忽略到轉軸中心線的距離，用E表示每個葉片中的感應電動勢，則 （ A ）AE = fl2B，且a點電勢低于b點電勢BE = 2fl2B，且a點電勢低于b點電勢CE = fl2B，且a點電勢高于b點電勢DE = 2fl2B，且a點電勢高于b點電勢2如圖是電磁驅動的原理圖，把一個閉合線圈放在蹄形磁鐵的兩磁極間，蹄形磁鐵和閉合線圈都可以繞OO軸轉動當轉動蹄形磁鐵時，線圈將（ B ）A不動B跟隨磁鐵一起轉動C向與磁鐵相反的方向轉動D磁鐵的磁極未知，無法判斷3如圖所示，C是一只電容器，先用外力使金屬桿ab貼著水平平行金屬導軌在勻強磁場中沿垂直磁場方向運動，到有一定速度時突然撤銷外力不計摩擦，則ab以后的運動情況可能是 （ C ）A減速運動到停止B來回往復運動C勻速運動 D加速運動4在勻強磁場中放一電阻不計的平行金屬導軌，導軌跟大線圈M相接，如圖所示，導軌上放一根導線ab，磁感線垂直導軌所在的平面，欲使M所包圍的小閉合線圈N產生順時針方向的感應電流，則導線的運動可能是 （ CD ）A勻速向右運動 B加速向右運動C減速向右運動 D加速向左運動RBabF5如右圖所示，光滑的水平平行放置的導軌左端連有電阻R，導軌上架有一根裸金屬棒ab，整個裝置處于垂直軌道平面的勻強磁場中，今從靜止起用力拉金屬棒(保持棒與導軌垂直)，若拉力恒定，經時間t1后ab的速度為v，加速度為a1，最終速度可達2v；若拉力的功率恒定，經時間t2后ab的速度也為v，加速度為a2，最終速度也可達2v。求a1和a2滿足的關系。（不計其他電阻）答案：a2=3a16水平固定的光滑U型金屬框架寬為L，足夠長，其上放一質量為m的金屬棒ab，左端連接有一阻值為R的電阻（金屬框架、金屬棒及導線的電阻均可忽略不計），整個裝置處在向下的勻強磁場中，磁感應強度大小為B?，F給棒一個初速v0，使棒始終垂直框架并沿框架運動，如圖所示。（1）金屬棒從開始運動到達穩(wěn)定狀態(tài)的過程中求通過電阻R的電量和電阻R中產生的熱量（2）金屬棒從開始運動到達穩(wěn)定狀態(tài)的過程中求金屬棒通過的位移（3）如果將U型金屬框架左端的電阻R換為一電容為C的電容器，其他條件不變，如圖所示。求金屬棒從開始運動到達穩(wěn)定狀態(tài)時電容器的帶電量和電容器所儲存的能量（不計電路向外界輻射的能量）abCv0abRv0答案：（1）由動量定理得 即 所以由能量守恒定律得（2） 所以（3）當金屬棒ab做切割磁力線運動時，要產生感應電動勢，這樣，電容器C將被充電，ab棒中有充電電流存在，ab棒受到安培力的作用而減速，當ab棒以穩(wěn)定速度v勻速運動時，BLv=UC=而對導體棒ab利用動量定理可得 BL=mv-mv0 由上述二式可求得： abcdFB甲v0BOcabd乙7兩根水平平行固定的光滑金屬導軌寬為L，足夠長，在其上放置兩根長也為L且與導軌垂直的金屬棒ab和cd，它們的質量分別為2m、m，電阻阻值均為R（金屬導軌及導線的電阻均可忽略不計），整個裝置處在磁感應強度大小為B、方向豎直向下的勻強磁場中。（1）現把金屬棒ab鎖定在導軌的左端，如圖甲，對cd施加與導軌平行的水平向右的恒力F，使金屬棒cd向右沿導軌運動，當金屬棒cd的運動狀態(tài)穩(wěn)定時，金屬棒cd的運動速度是多大？（2）若對金屬棒ab解除鎖定，如圖乙，使金屬棒cd獲得瞬時水平向右的初速度v0，當它們的運動狀態(tài)達到穩(wěn)定的過程中，流過金屬棒ab的電量是多少？整個過程中ab和cd相對運動的位移是多大？答案：當cd棒穩(wěn)定時，恒力F和安培力大小相等，方向相反，以速度v勻速度運動，有：F=BIL 又 聯立得： ab棒在安培力作用下加速運動，而cd在安培力作用下減速運動，當它們的速度相同，達到穩(wěn)定狀態(tài)時，回路中的電流消失，ab，cd棒開始勻速運動。設這一過程經歷的時間為t，最終ab、cd的速度為v，通過ab棒的電量為Q。則對于ab棒由動量守恒：BILt2mv 即：BLQ2 mv同理，對于cd棒：BILtmvmv0 即：BLQm（v0-v）得：設整個過程中ab和cd的相對位移為S，由法拉第電磁感應定律得：流過ab的電量： 得：8如圖，光滑平行的水平金屬導軌MN、PQ相距l(xiāng)，在M點和P點間接一個阻值為R的電阻，在兩導軌間OO1O1O矩形區(qū)域內有垂直導軌平面豎直向下、寬為d的勻強磁場，磁感強度為B。一質量為m，電阻為r的導體棒ab，垂直擱在導軌上，與磁場左邊界相距d0?，F用一大小為F、水平向右的恒力拉ab棒，使它由靜止開始運動，棒ab在離開磁場前已經做勻速直線運動（棒ab與導軌始終保持良好的接觸，導軌電阻不計）。求：OFbOO1O1aRMPBNQl0l（1）棒ab在離開磁場右邊界時的速度；（2）棒ab通過磁場區(qū)的過程中整個回路所消耗的電能；（3）試分析討論ab棒在磁場中可能的運動情況。答案：（1）ab棒離開磁場右邊界前做勻速運動，速度為，則有 對ab棒 FBIl0 解得 （2）由能量守恒可得： 解得： （3）設棒剛進入磁場時速度為v由 可得 棒在進入磁場前做勻加速直線運動，在磁場中運動可分三種情況討論：若（或），則棒做勻速直線運動；若（或F），則棒先加速后勻速；若（或F，則棒先減速后勻速。