電磁感應中巧用動量定理求位移——動量+電磁感應綜合題2例及解析

2021-02-16 高中物理科學思維方法教與學

在電磁感應中,當安培力是變力時,物體做非勻變速運動,如何求位移呢?應用動量定理及位移等於平均速度與時間之積等知識,可巧妙地求位移。

下面分享兩道這類綜合性的題:

例1:如圖所示,足夠長光滑平行金屬導軌OPQ和O′P′Q′間距為L,其中傾角為θ的傾斜導軌間有一垂直於導軌平面向下,磁感應強度大小為B的勻強磁場,頂端QQ′之間連接一個阻值為R的電阻,水平段離地面的高度為h。金屬棒CD、EF的質量分別為m1和m2(m1<m2),長均為L,電阻為R,其中EF棒放置在水平軌道的右端邊緣。將金屬棒CD從離水平軌道高為H±△H範圍內由靜止釋放沿軌道下滑,進入水平軌道後並與金屬棒EF發生碰撞,碰撞後CD棒以碰前速率的k倍反彈,EF棒離開軌道做平拋運動且始終落在水平面上的同一位置。不計導軌電阻和空氣阻力,忽略金屬棒經過PP'處的機械能損失,重力加速度為g,求:

(1)CD棒下滑過程中,棒上的電流方向及棒到達PP'時的速度大小。

(2)若CD棒下滑到PP'時的速率記為v,請完成以下問題:

①  CD棒下滑過程中,EF棒產生焦耳熱的最大值及EF棒平拋運動的水平位移大小。

②  CD棒返回過程中,從PP'運動至最高位置所需時間為t,求最高位置離水平軌道的高度。

難點:注意隱含條件挖掘「H±△H範圍內由靜止釋放沿軌道下滑,進入水平軌道後並與金屬棒EF發生碰撞,碰撞後CD棒以碰前速率的k倍反彈,EF棒離開軌道做平拋運動且始終落在水平面上的同一位置。」說明在H±△H範圍內釋放CD棒,最後的末速度相同,進而可推斷達到這一速度時,重力沿斜面向下的分力大小與安培力大小相等。

例2:質量為m,電阻率為ρ,橫截面為s的均勻薄金屬條製成邊長為L的閉合正方形框abb′a′。如圖所示,金屬方框水平放在磁極的狹縫間,方框平面與磁場方向平行。設勻強磁場僅存在於相對磁極之間,其他地方的磁場忽略不計。可認為方框的aa′邊和bb′邊都處在磁極間,極間磁感應強度大小為B。方框從靜止開始釋放,其平面在下落過程中保持水平(不計空氣阻力)

(如學生學習了微積分,也可用微積分列式求解)

易錯點:

同學們往往不經過運動分析,用勻變速直線運動的規律列式求解。上面兩題物體是做變加速運動,勻變速直線運動速度公式和位移公式不適用。

難點:

1.題目中有隱含條件需在審題時挖掘整理出來。

2.綜合性較強,要用到力、電磁知識和相關定理、定律。

相關專題連結:

1.巧用動量定理求電荷量——2021八省聯考湖南卷之單杆模型

2.電磁感應中巧用動量定理求電荷量、時間、位移等——單杆模型之變力衝量微專題(2)

3.電磁感應中巧用動量定理求電荷量、時間、位移等——單杆模型之變力衝量微專題

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