2011屆高中物理二輪復(fù)習(xí)第15講專題6D電磁感應(yīng)與力學(xué)的綜合問題.ppt

物理物理（廣東） 1 專題六 電路、電與磁的轉(zhuǎn)化 2 1電磁感應(yīng)中產(chǎn)生的感應(yīng)電流，在磁場中將受到安培 力的作用，因此，電磁感應(yīng)問題往往跟力學(xué)問題聯(lián)系在 一起 2解決這類電磁感應(yīng)中的力學(xué)問題，一方面要考慮電 磁學(xué)中的有關(guān)規(guī)律，如楞次定律、法拉第電磁感應(yīng)定律 、左手定則、右手定則、安培力的計(jì)算公式等；另一方 面還要考慮力學(xué)中的有關(guān)規(guī)律，如牛頓運(yùn)動(dòng)定律、動(dòng)能 定理、能量守恒定律等，要將電磁學(xué)和力學(xué)的知識(shí)綜合 起來應(yīng)用 3 3解決這類問題的一般思路是：根據(jù)電磁感應(yīng)現(xiàn)象 感應(yīng)電動(dòng)勢感應(yīng)電流安培力合力加速度速度 感應(yīng)電動(dòng)勢周而復(fù)始地循環(huán)注意：當(dāng)導(dǎo)體運(yùn)動(dòng) 達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，a=0，速度達(dá)到最大值(臨界值) 4兩種狀態(tài)處理 導(dǎo)體處于平衡態(tài)靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 處理方法：根據(jù)平衡條件合外力等于零列式分析 導(dǎo)體處于非平衡態(tài)加速度不等于零 處理方法：根據(jù)牛頓第二定律進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，或結(jié)合功能 關(guān)系分析 4 1電磁感應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)問題 （1） (2 ) 電學(xué)對(duì)象 電源：E=Blv或E= 電路：E=I(R+r)=U外+U內(nèi)5 （3）在力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系中，要注意分析導(dǎo)體受力， 判斷導(dǎo)體加速度方向、大小及變化；加速度等于 零時(shí)，速度最大，導(dǎo)體最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)是該類 問題的重要特點(diǎn) 6 【例1】 邊長為h的正方形金屬導(dǎo)線框，從圖631 所示的 位置由靜止開始下落，通過一勻強(qiáng)磁場區(qū)域，磁場方向水 平，且垂直于線框平面，磁場區(qū)域?qū)挾葹镠，上、下邊界 如圖中虛線所示，Hh，試分析討論從線框開始下落到完 全穿過磁場區(qū)域的全過程中線框運(yùn)動(dòng)速度的變化情況 7 8 9 當(dāng)Fh可知，線框?qū)⒂幸?段時(shí)間全部處于勻強(qiáng)磁場區(qū)，此時(shí)線框磁通量不變， 無感應(yīng)電流，不受安培力作用，該段時(shí)間內(nèi)線框?qū)⒁?加速度g做勻加速運(yùn)動(dòng)； 當(dāng)線框下邊界運(yùn)動(dòng)至磁場下邊界時(shí)，分析同. 10 本題的最大的特點(diǎn)是電磁學(xué)知識(shí)與力學(xué)知識(shí)相 結(jié)合這類綜合題本質(zhì)上是一道力學(xué)題，只不 過在受力上多了一個(gè)感應(yīng)電流受到的安培力 分析問題的基本思路還是力學(xué)解題的那些規(guī)律 在運(yùn)用牛頓第二定律與運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)合解題時(shí)， 分析加速度與初速度的關(guān)系是解題最關(guān)鍵的第 一步因?yàn)榧铀俣扰c初速度的關(guān)系決定了物體 的運(yùn)動(dòng) 11 【例2】如圖632 所示，電阻不計(jì)的平行金屬導(dǎo)軌 MN和OP水平放置，MO間接有阻值為R的電阻，導(dǎo) 軌相距為d，其間有豎直向下的勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng) 度為B，質(zhì)量為m、電阻為r的導(dǎo)體棒CD垂直于導(dǎo)軌 放置，并接觸良好用平行于MN的恒力F向右拉動(dòng) CD，CD受恒定的摩擦阻力f，已知Ff.問： (1)CD運(yùn)動(dòng)的最大速度是多少？ (2)當(dāng)CD的速度是最大速度的1/3時(shí)， CD的加速度是 多少？ 12 (2)當(dāng)CD速度為最大速度的1/3，即v=1/3 時(shí)，CD中 的電流為最大值的1/3；即I=1/3I，則CD棒所受的安 培力為： CD棒的加速度為： . (1)以金屬棒為研究對(duì)象，受力分析如圖所示，當(dāng) CD受力：F=FA+f時(shí)，導(dǎo)體棒CD速度最大，即： F=BId+f= +f 得：vm= . 13 對(duì)受力物體作受力分析時(shí)，要注意安培 力隨速度變化而變化的情況 14 2電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化綜合問題 (1)安培力做的功是電能和其他形式的能之間 相互轉(zhuǎn)化的“橋梁”，用框圖表示如下： 安培力做的功是電能與其他形式的能轉(zhuǎn)化的量 度安培力做多少正功，就有多少電能轉(zhuǎn)化為 其他形式的能；安培力做多少負(fù)功，就有多少 其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能 15 (2)明確功能關(guān)系，確定有哪些形式的能量發(fā)生 了轉(zhuǎn)化如有滑動(dòng)摩擦力做功，必有內(nèi)能產(chǎn)生 ；有重力做功，重力勢能必然發(fā)生變化；安培 力做負(fù)功，必然有其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能等 (3)根據(jù)不同物理情景選擇動(dòng)能定理，能量守 恒定律，功能關(guān)系列方程求解 2電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化綜合問題 16 【例3】 如圖633 所示，一邊長為L的正方形閉合 金屬線框，其質(zhì)量為m，回路電阻為R，M、N、P為 磁場區(qū)域的邊界，且均為水平，上、下兩部分磁場的 磁感應(yīng)強(qiáng)度均為B，方向如圖所示圖示所示位置線 框的底邊與M重合現(xiàn)讓線框由圖示位置從靜止開始 下落，線框在穿過N和P兩界面的過程中均為勻速運(yùn)動(dòng) 若已知M、N之間的高度差為h1，h1L.線框下落過 程中線框平面始終保持豎直，底邊始終保持水平，重 力加速度為g，求： (1)線框穿過N與P界面的速度； (2)在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，線框 產(chǎn)生的焦耳熱 17 (1)在穿過N的過程中，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定 律，線框中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢 由閉合電路歐姆定律知，線框中產(chǎn)生的感應(yīng)電 流 線框受到的安培力 由力的平衡知識(shí)得 ， 同理線框穿過P過程中的速度為： 18 (2)線框穿過M時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱 Q1=mgh1 線框穿過N或P時(shí)做勻速運(yùn)動(dòng)，所以重力克服安培 力做功，重力勢能減少，減少的重力勢能全部轉(zhuǎn)化 為焦耳熱，所以Q2=mgL， 共產(chǎn)生的焦耳熱為 Q=Q1+2Q2=2mgL+mgh1 19 (1)利用功能關(guān)系分析電磁感應(yīng)問題，首先應(yīng) 對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行受力分析，判斷各力做功情 況，有哪些形式的能參與了轉(zhuǎn)化，分別寫出 表達(dá)式，然后利用功能關(guān)系或能量守恒列式 求解 (2)解題的關(guān)鍵是根據(jù)力的平衡知識(shí)、電路知 識(shí)及法拉第電磁感應(yīng)定律列出方程，再聯(lián)立 求解 20 【例4】如圖634 所示，兩根正對(duì)的平行金屬直 軌道MN、MN位于同一水平面上，兩軌道之間的距 離l=0.50m.軌道的MM端之間接一阻值R=0.40的定 值電阻，NN端與兩條位于豎直面內(nèi)的半圓形光滑 金屬軌道NP、NP平滑連接，兩半圓軌道的半徑均 為R0=0.50m.直軌道的右端處于豎直向下、磁感應(yīng)強(qiáng) 度B=0.64T的勻強(qiáng)磁場中，磁場區(qū)域的寬度d=0.80m ，且其右邊界與NN重合 21 現(xiàn)有一質(zhì)量m=0.20kg、電阻r=0.10的導(dǎo)體桿ab靜止 在距磁場的左邊界s=2.0m處在與桿垂直的水平恒 力F=2.0N的作用下ab桿開始運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)至磁場的 左邊界時(shí)撤去F，結(jié)果導(dǎo)體桿ab恰好能以最小速度通 過半圓形軌道的最高點(diǎn)PP.已知導(dǎo)體桿ab在運(yùn)動(dòng)過程 中與軌道接觸良好，且始終與軌道垂直，導(dǎo)體桿ab 與直軌道之間的動(dòng)摩擦因數(shù)=0.10，軌道的電阻可忽 略不計(jì)，取g=10m/s2，(保留兩位小數(shù)) 22 求：(1)導(dǎo)體桿剛進(jìn)入磁場時(shí)，通過導(dǎo)體桿上的電流大 小和方向； (2)導(dǎo)體桿穿過磁場的過程中通過電阻R上的電荷量； (3)導(dǎo)體桿穿過磁場的過程中整個(gè)電路中產(chǎn)生的焦耳熱 23 (1)設(shè)導(dǎo)體桿在F的作用下運(yùn)動(dòng)至磁場的左邊界時(shí) 的速度為 ，根據(jù)動(dòng)能定理則有 導(dǎo)體桿剛進(jìn)入磁場時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢 此時(shí)通過導(dǎo)體桿上的電流大小 I=E/(R+r)=3.84A 根據(jù)右手定則可知，電流方向?yàn)橛蒪向a 24 (2)設(shè)導(dǎo)體桿在磁場中運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為t，產(chǎn)生的 感應(yīng)電動(dòng)勢的平均值為，則由法拉第電磁感應(yīng) 定律有 通過電阻R的感應(yīng)電流的平均值 通過電阻R的電荷量 25 (3)設(shè)