高振偉
(河北省張家口市宣化第一中學(xué) 075100)
電磁感應(yīng)是中學(xué)物理主干知識(shí)點(diǎn)之一,也是歷年高考必考的內(nèi)容,新課改之前,普通高等學(xué)校招生全國統(tǒng)一考試中電磁感應(yīng)基本上以一道選擇題的形式考查.2017年開始把動(dòng)量定理、動(dòng)量守恒定理內(nèi)容由選考改為必考知識(shí)點(diǎn),使動(dòng)力學(xué)傳送帶、板塊等一系列問題的考查拓寬了思路,同時(shí)也使電學(xué)尤其是對(duì)電磁感應(yīng)知識(shí)的考查注入了新的生機(jī),近幾年全國普通高考中對(duì)電磁感應(yīng)考查的力度明顯加大,時(shí)常以計(jì)算題形式出現(xiàn),電磁感應(yīng)計(jì)算題題型中單、雙桿切割磁感線運(yùn)動(dòng)問題是高頻考查的對(duì)象,將單、雙桿切割磁感線運(yùn)動(dòng)與牛頓運(yùn)動(dòng)定律、能量、動(dòng)量等知識(shí)相結(jié)合考查學(xué)生的理解能力、推理能力、分析綜合能力和應(yīng)用數(shù)學(xué)處理物理問題的能力,搞清單、雙桿切割磁感線運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)、規(guī)律是前提,能夠熟練應(yīng)用動(dòng)量、能量等觀點(diǎn)解決單、雙桿切割磁感線運(yùn)動(dòng)問題是對(duì)自己邏輯推理、分析綜合等能力質(zhì)的提升.單、雙桿切割磁感線運(yùn)動(dòng)常見類型如下
A.導(dǎo)體棒ab開始運(yùn)動(dòng)后,電阻R中的電流方向是從P流向M
B.導(dǎo)體棒ab運(yùn)動(dòng)的最大速度為10 m/s
C.導(dǎo)體棒ab開始運(yùn)動(dòng)后,a、b兩點(diǎn)的電勢(shì)差逐漸增加到1 V后保持不變
D.導(dǎo)體棒ab開始運(yùn)動(dòng)后任一時(shí)刻,F(xiàn)的功率總等于導(dǎo)體棒ab和電阻R的發(fā)熱功率之和
例2如圖7所示,傾角θ=37°,間距L=0.1 m的足夠長光滑金屬導(dǎo)軌底端接有阻值R=0.16 Ω的電阻,不計(jì)其他電阻.質(zhì)量m=1 kg的金屬棒ab始終垂直導(dǎo)軌.以O(shè)為原點(diǎn),建立如圖7所示方向沿導(dǎo)軌向上的坐標(biāo)軸x.在0.2 m≤x≤0.8 m區(qū)間有垂直導(dǎo)軌平面向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng).棒在沿x軸正方向的外力F作用下從x=0處由靜止開始沿斜面向上運(yùn)動(dòng),其速度v與位移x滿足v=kx,加速度a與速度v滿足a=kv,k=5 s-1.當(dāng)棒ab運(yùn)動(dòng)至x1=0.2 m處時(shí),電阻R消耗的電功率P=0.16 W.重力加速度為g=10 m/s2.(sin37°=0.6).
求:(1)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大?。?/p>
(2)0≤x≤0.8 m范圍內(nèi)外力F隨位移x變化的關(guān)系式;
(3)在棒ab穿過磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)過程中,電阻R產(chǎn)生的焦耳熱Q.
解析(1)v=kx,U=BLv
①
②
聯(lián)立①②解得B=1.6T
③
(2)0≤x≤0.2m時(shí),F(xiàn)-mgsinθ=ma
④
0.2≤x≤0.8m時(shí),F(xiàn)-mgsinθ-F安=ma
⑤
⑥
v=kx,a=kv
聯(lián)立③④⑤⑥得0≤x<0.2m時(shí),
F=25x+6
⑦
0.2m≤x≤0.8m,F(xiàn)=25.8x+6
⑧
(3)由v=kx和⑤式得
⑨
Q=W安=0.24 J
⑩
例3如圖8所示,光滑金屬導(dǎo)軌足夠長并豎直放置,兩導(dǎo)軌間距離為L,導(dǎo)軌電阻不計(jì),磁場(chǎng)方向水平并且垂直軌道面向里,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,軌道頂端接有電容器和定值電阻,定值電阻的阻值為R,電容器的電容為C,質(zhì)量為m的導(dǎo)體棒MN電阻不計(jì),與軌道接觸良好,從圖示由靜止釋放,重力加速度為g,以下說法正確的是( ).
1.光滑等間距水平導(dǎo)軌無外力類(如圖9),桿a做加速度逐漸減小的變減速直線運(yùn)動(dòng),桿b做加速度逐漸減小的變加速直線運(yùn)動(dòng),最終兩桿以共同速度勻速直線運(yùn)動(dòng),雙桿組成的系統(tǒng)動(dòng)量守恒m1v0=(m1+m2)v;
2.光滑等間距水平導(dǎo)軌受恒力F類(如圖10),開始時(shí)二者做加速運(yùn)動(dòng),最終二者勻加速運(yùn)動(dòng),具有共同的加速度,F(xiàn)=(m1+m2)a.
3.光滑不等間距水平導(dǎo)軌有初速度類(如圖11),b棒減速,a棒加速,由于導(dǎo)軌不等間距,動(dòng)量不守恒,當(dāng)二者產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)相等時(shí),電流為0,最終都勻速運(yùn)動(dòng),但是二者的速度不相等,只有分別對(duì)a、b用動(dòng)量定理BIL·Δt=m·Δv求解最終速度.
例4如圖12所示,ab和cd是兩條豎直固定的光滑平行金屬導(dǎo)軌,MN和M′N′是用絕緣細(xì)線連接的兩根金屬桿,其質(zhì)量分別為m和2m,用豎直向上、大小未知的外力F作用在桿MN中點(diǎn),使兩桿水平靜止,并剛好與導(dǎo)軌接觸,整個(gè)裝置處在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B、方向垂直導(dǎo)軌平面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,導(dǎo)軌足夠長,間距為L,電阻可忽略,兩桿總電阻為R,與導(dǎo)軌始終接觸良好,重力加速度為g.t=0時(shí)刻,將細(xì)線燒斷,保持力F不變.求:
(1)細(xì)線燒斷后任意時(shí)刻,求兩桿運(yùn)動(dòng)的速度大小之比.
(2)若桿MN至速度最大時(shí)發(fā)生的位移為s,求該過程中通過金屬桿橫截面的電荷量Δq和電路中產(chǎn)生的焦耳熱Q各為多少?
(3)從0時(shí)刻到兩導(dǎo)體棒達(dá)到最大速度過程中,拉力做功的平均功率及達(dá)到最大速度時(shí)回路中的電功率、發(fā)熱功率.
解析(1)對(duì)MN和M′N′為系統(tǒng),取豎直向上為正方向,0=mv1-2mv2,v1∶v2=2∶1.
電磁感應(yīng)的動(dòng)力學(xué)和能量問題是歷年高考的熱點(diǎn)和難點(diǎn),考查的題型一般包括“單桿”模型、“雙桿”模型或“導(dǎo)體框”模型,單桿模型分析要點(diǎn)是:①桿的穩(wěn)定狀態(tài)一般是做勻速運(yùn)動(dòng),達(dá)到最大速度或最小速度,此時(shí)合力為零.②電磁感應(yīng)現(xiàn)象遵從能量守恒定律,整個(gè)電路產(chǎn)生的電能等于克服安培力所做的功.雙桿模型要注意動(dòng)量守恒、能量守恒及牛頓運(yùn)動(dòng)定律的合理應(yīng)用.