鄭浩宇
摘要:導(dǎo)體棒切割磁感線問題中往往涉及變加速直線運(yùn)動(dòng)。但高中階段學(xué)生由于數(shù)學(xué)知識(shí)的限制,導(dǎo)致學(xué)生對這一類運(yùn)動(dòng)模型理解不到位。本文將從實(shí)際例題出發(fā)結(jié)合微元法和高等數(shù)學(xué)知識(shí)淺析其中合外力、加速度、位移、速度和時(shí)間等物理量之間的依賴關(guān)系,拓展解題視野。
關(guān)鍵詞:電磁感應(yīng);變加速運(yùn)動(dòng);微元法;微積分
電磁感應(yīng)中導(dǎo)體棒切割磁感線做變加速直線運(yùn)動(dòng)是高中電磁學(xué)板塊的難點(diǎn)。此類題目綜合性強(qiáng),涉及知識(shí)面廣,難度往往也較大,能很好考察學(xué)生的思維能力,因此廣受命題者的青睞。高中階段解決此類問題通常用的是能量觀點(diǎn),但實(shí)際上可能由于命題者的疏忽,題目中給定的數(shù)據(jù)與事實(shí)不符,導(dǎo)致物理量之間的關(guān)系出現(xiàn)彼此不匹配的情況,容易對學(xué)生造成誤導(dǎo)。那么能不能從變加速直線運(yùn)動(dòng)本身出發(fā)找出各個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)的物理量之間的真實(shí)對應(yīng)關(guān)系?下面通過兩個(gè)基本模型進(jìn)行探討。
一、例1:如圖1所示,水平平行放置兩根足夠長的光滑金屬導(dǎo)軌,導(dǎo)軌間距為L,導(dǎo)軌左端連接一個(gè)阻值為R的電阻,一根質(zhì)量為m的金屬棒垂直于導(dǎo)軌橫跨于兩根導(dǎo)軌之上,空間存在方向豎直向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場,整個(gè)回路除了電阻R之外其余電阻忽略不計(jì)。現(xiàn)在金屬棒以初速度水平向右運(yùn)動(dòng)。求整個(gè)過程中:
(1)金屬棒運(yùn)動(dòng)過的位移;
(2)流過電阻R的電荷量;
(3)金屬棒的運(yùn)動(dòng)時(shí)間;
(4)感應(yīng)電流的有效值。
分析解答:(1)金屬棒做加速度逐漸減小的減速運(yùn)動(dòng),其v-t圖象如圖2所示,如果這是在數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室里用傳感器獲取的真實(shí)v-t圖象并輔以DISLab的軟件確實(shí)可以求解運(yùn)動(dòng)的位移和時(shí)間,除此以外通常情況下并不能通過面積法求解位移,此時(shí)微元法可排上用場。
微元法是解決物理的常用方法,是從部分到整體的思維方法。隱含微分和積分思想,但在高中階段應(yīng)用微元法并不需要進(jìn)行太復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算即可得到結(jié)果,故微元法是高中生解決此類電磁學(xué)變加速運(yùn)動(dòng)問題的常用手段。
由,及,得,電流I與速度v有瞬時(shí)對應(yīng)關(guān)系,安培力F安與加速度a也有著瞬時(shí)對應(yīng)關(guān)系。再由定義式和可得,即,對整個(gè)過程求和,得,解得.
在極短的時(shí)間內(nèi),安培力可視為恒力,金屬棒理應(yīng)做勻減速運(yùn)動(dòng),但由于此時(shí)間內(nèi)速度變化量也是極小量,因此金屬棒可視為勻速直線運(yùn)動(dòng)。該段時(shí)間的位移△x=v△t,對應(yīng)v-t圖象中的一個(gè)小矩形面積,把所有小矩形的面積求和就可得到整個(gè)過程的位移。推導(dǎo)過程中恰好含有v△t一項(xiàng),因此用微元法求位移比較方便。此類問題中微元法起到化變?yōu)楹愕淖饔茫軐?fù)雜問題進(jìn)行簡化。
(2)表面上看,求流過電阻R的電荷量需要知道金屬棒的運(yùn)動(dòng)時(shí)間,實(shí)際上電荷量是由位移求得。
(3)關(guān)于金屬棒的運(yùn)動(dòng)時(shí)間,微元法并不能直接求解,所以大多數(shù)高中生不會(huì)深入去探究,此時(shí)如果命題者隨意給定一個(gè)時(shí)間值,就會(huì)破壞了運(yùn)動(dòng)學(xué)之間的依賴關(guān)系導(dǎo)致數(shù)據(jù)之間出現(xiàn)矛盾,因此命題者必須用到高等數(shù)學(xué)的微積分知識(shí)進(jìn)行求解。
由,得,積分得,變形得,令v=v0(t=0),得到c'=v0,推出時(shí)間的函數(shù)式.
把末速度代入上式,得到,實(shí)際上當(dāng)速度降低到接近零(即末速度為無窮小)時(shí)算得此段時(shí)間即為所求的解。具體的數(shù)值運(yùn)算可參考例2。
(4)求出時(shí)間之后再結(jié)合電流有效值公式,不難算出此段時(shí)間感應(yīng)電流的有效值。由,得,其中代表無窮小量。
二、例2:如圖3示,相互平行的兩根金屬導(dǎo)軌,導(dǎo)軌間距為L=0.5m,與水平地面夾角為θ=30°,導(dǎo)軌頂端連接一個(gè)阻值為R=1Ω的電阻,一根質(zhì)量為m=0.6kg的金屬導(dǎo)體棒垂直于導(dǎo)軌橫跨于導(dǎo)軌之上,導(dǎo)體棒由靜止開始釋放,整個(gè)空間存在垂直于導(dǎo)軌平面的勻強(qiáng)磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度B=2T。導(dǎo)軌足夠長,滑行過程金屬棒始終與導(dǎo)軌保持垂直和良好接觸,忽略一切摩擦及除電阻R外的一切電阻,取g=10m/s2,求:
(1)金屬棒的最大速度;
(2)金屬棒由釋放直至最大速度所需的時(shí)間;
(3)金屬棒由釋放直至最大速度所運(yùn)動(dòng)過的位移。
分析解答:(1)由受力分析可知,當(dāng)金屬棒受力平衡時(shí)有最大速度vm,mgsinθ=BImL,,聯(lián)合解得,代入數(shù)據(jù)得vm=3m/s
(2)由牛頓第二定律得,即,為了方便后面的運(yùn)算,代入數(shù)據(jù)得,再由,得微分表達(dá)式,積分得,變化得,令,得,推出,最后得到時(shí)間t的函數(shù)式:,若代入v=3m/s則t無解(或理解為無窮大),換言之金屬棒永遠(yuǎn)無法達(dá)到最大速度。當(dāng)然這只是純數(shù)學(xué)理論的情況,實(shí)際上當(dāng)速度特別接近最大速度就可得所需的解,令v'=2.99m/s,此時(shí)速度誤差為0.33%,解得時(shí)間t'=3.422s。
(3)此問有兩種解法,第一種是運(yùn)用積分公式,,得s=8.472m。第二種是運(yùn)用微元法,由,得,代入數(shù)據(jù)解得s=8.472m.兩種解法得到相同的解。
本題核心公式為加速度和速度的函數(shù)式:,時(shí)間和位移兩個(gè)物理量都依賴此關(guān)系確定,但由高中物理運(yùn)動(dòng)學(xué)的基本公式無法直接在它們之間建立關(guān)系,都要從微積分的思想出發(fā)才可解得。如果命題者只是由動(dòng)能定理等能量觀點(diǎn)的關(guān)系式去拼湊數(shù)據(jù),雖然從高中物理的層面看沒問題,但是經(jīng)不起深入的驗(yàn)算,在微積分等高等數(shù)學(xué)面前會(huì)露餡。
三、由于受到各種現(xiàn)實(shí)因素的限制,命題者在命制這類導(dǎo)體棒切割磁感線做變加速直線運(yùn)動(dòng)問題時(shí),數(shù)據(jù)(如時(shí)間和位移)直接從實(shí)驗(yàn)中獲得并不方便,但不能因此就任意給定,一定要以事實(shí)為依據(jù)。所以命題者在命制題目時(shí)必須用到高等數(shù)學(xué)知識(shí)或者微元法進(jìn)行驗(yàn)證,避免出現(xiàn)與事實(shí)相悖的情況出現(xiàn),使題目本身經(jīng)得起推敲。
引入微積分?jǐn)?shù)學(xué)知識(shí)解高中物理題,一方面是讓學(xué)生早日接觸近代數(shù)學(xué)知識(shí),并能在多個(gè)物理變量互相影響的問題中抽絲剝繭,找到最直接的解題方法;另一方面可使物理教師更深刻地理解題目中的物理過程,拓寬視野,對物理教師提高教學(xué)能力應(yīng)有一定的幫助。
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廣東省遂溪縣第一中學(xué) 524300