單文忠

(廣東省深圳市第七高級(jí)中學(xué) 518104)

含電容器電路問(wèn)題一直是高考的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，原因是在恒定電路時(shí)含電容器的支路為斷路，但電容器在充放電時(shí)，其電路又是通路.如果電容器與導(dǎo)體棒構(gòu)成回路，導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)與電容器的充放電相關(guān)，解答這類問(wèn)題需要學(xué)生有較高的物理水平，也很能反映學(xué)生的物理素養(yǎng).下面筆者從兩個(gè)方面以解題形式對(duì)此類問(wèn)題進(jìn)行深入探討.

1 電容器放電

1.1 對(duì)單根導(dǎo)體棒放電

題1如圖1所示為一“電磁槍”，它有一軌距為l、電阻可以忽略的水平導(dǎo)軌，導(dǎo)軌另一端與一個(gè)電容為C、所充電壓為U0的電容器相連接，該裝置的電感可以忽略，整個(gè)裝置放入均勻的豎直的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，一根無(wú)摩擦的質(zhì)量為m、電阻為R的導(dǎo)體棒垂直軌道放在導(dǎo)軌上，將開(kāi)關(guān)翻轉(zhuǎn)到b，求導(dǎo)體棒獲得的最大速度vm及這個(gè)“電磁槍”的最大效率.

圖1

由于沒(méi)有機(jī)械能損耗，導(dǎo)體棒會(huì)一直勻速運(yùn)動(dòng)下去；若軌道與導(dǎo)體棒間有摩擦，則有機(jī)械能損失，導(dǎo)體棒最終一定會(huì)靜止.若軌道與導(dǎo)體棒間光滑，在電容和導(dǎo)體棒間接一電阻，情況如何？請(qǐng)分析2022全國(guó)高考甲卷一道選擇題.

1.2 對(duì)電阻與導(dǎo)體棒放電

題2(2022年全國(guó)甲卷)如圖2所示，兩根相互平行的光滑長(zhǎng)直金屬導(dǎo)軌固定在水平絕緣桌面上，在導(dǎo)軌的左端接入電容為C的電容器和阻值為R的電阻.質(zhì)量為m、阻值也為R的導(dǎo)體棒MN靜止于導(dǎo)軌上，與導(dǎo)軌垂直，且接觸良好，導(dǎo)軌電阻忽略不計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)處于方向豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中.開(kāi)始時(shí)，電容器所帶的電荷量為Q，合上開(kāi)關(guān)S后( ).

圖2

B.導(dǎo)體棒MN向右先加速、后勻速運(yùn)動(dòng)

C.導(dǎo)體棒MN速度最大時(shí)所受的安培力也最大

D.電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱大于導(dǎo)體棒MN上產(chǎn)生的焦耳熱

電容器與MN及R構(gòu)成回路，且一直處于通路形式.當(dāng)u>Blv時(shí)，導(dǎo)體棒受安培力向右且做加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)u=Blv時(shí)，導(dǎo)體棒的速度最大，此時(shí)導(dǎo)體棒MN上電流瞬時(shí)值為零，安培力為零，故答案C錯(cuò)；當(dāng)u

在MN加速度階段，由于MN反電動(dòng)勢(shì)存在且導(dǎo)體棒的電阻與電阻R阻值相同，則MN上電流小于電阻R上的電流，電阻R消耗電能大于MN上消耗的電能(即ER>EMN)，故加速過(guò)程中，QR>QMN；當(dāng)MN減速到為零的過(guò)程中，電容器的電流和導(dǎo)體棒的電流都流經(jīng)電阻R形成各自的回路，因此可知此時(shí)也是電阻R的電流大，綜上分析可知全過(guò)程中電阻R上的熱量大于導(dǎo)體棒上的熱量，故D正確.

上述兩例均為電容器放電使導(dǎo)體棒受安培力而運(yùn)動(dòng)的情形，若導(dǎo)體棒受外力做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，反過(guò)來(lái)對(duì)電容器充電情景如何？請(qǐng)分析以下兩題.

2 電容器充電

2.1 導(dǎo)體棒對(duì)電容器充電

題3( 2013年高考新課標(biāo)Ⅰ卷)如圖3，兩條平行導(dǎo)軌所在平面與水平地面夾角為θ，間距為L(zhǎng)，導(dǎo)體上端接有一平行板電容器，電容為C，導(dǎo)軌處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，方向垂直于導(dǎo)軌平面.在導(dǎo)軌上放置質(zhì)量為m的金屬棒，棒可沿導(dǎo)軌下滑，且在下滑過(guò)程中保持與導(dǎo)軌垂直并良好接觸.已知金屬棒與導(dǎo)軌之間的動(dòng)摩擦因素為μ，重力加速度大小為g，忽略所有電阻，讓金屬棒從導(dǎo)軌上端由靜止開(kāi)始下滑，求：

圖3

(1)電容器極板上積累的電荷量與金屬棒速度大小的關(guān)系；

(2)金屬棒的速度大小隨時(shí)間變化的關(guān)系.

析與解(1)在金屬棒沿斜面向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，電容器處于充電狀態(tài)，其極板上積累的電荷隨金屬棒的兩端的電壓升高而增多.

故積累的電荷量與速度的關(guān)系為：

Q=CU=CBLv

(2)分析題意，假定金屬棒做加速度為a的勻加速下滑運(yùn)動(dòng)，據(jù)牛頓第二定律有：

而ΔQ=CΔU=CBLΔv

若把電容器換成電阻或電感線圈，導(dǎo)體棒的最終運(yùn)動(dòng)狀態(tài)又如何？請(qǐng)看下題的拓展比較.

2.2 導(dǎo)體棒與電阻、電感線圈構(gòu)成回路

題4一個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，垂直于一軌距為l的導(dǎo)軌平面，軌道平面與水平面有α的傾角.一根無(wú)摩擦的導(dǎo)體棒，質(zhì)量為m，橫跨在兩根金屬導(dǎo)軌上，如圖4所示，若開(kāi)關(guān)依次接通1、2，使阻值為R(其余電阻均不計(jì))、電感為L(zhǎng)的元件與棒構(gòu)成電路，當(dāng)從靜止放開(kāi)導(dǎo)體棒后，求棒的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài).

圖4

析與解導(dǎo)體棒受一恒力作用，產(chǎn)生動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)，這樣的“電源”與電阻、電感線圈構(gòu)成電路，在不同的電路條件下會(huì)產(chǎn)生不同的效應(yīng)， 棒的穩(wěn)定狀態(tài)也就不同.

題3是金屬棒在磁場(chǎng)中由于受力運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)而對(duì)電容器充電，導(dǎo)致金屬棒中有電流而受到安培力作用，看似安培力為變力，實(shí)則為恒力，金屬棒做的是勻加速直線運(yùn)動(dòng)， 題4是把電容器換成電阻和電感線圈，則導(dǎo)體棒的穩(wěn)定狀態(tài)截然不同.對(duì)于物理試題，題設(shè)情景差之毫厘則答案謬以千里，所以我們做題時(shí)要對(duì)試題有敬畏之心，千萬(wàn)不可操之過(guò)急.