法拉第電磁感應定律是電磁學的重點內容之一,其綜合了力、熱、靜電場、直流電路、磁場等許多內容,反映在以下幾個方面:
1、因導體在切割運動或電路中磁通量的變化,產生感應電流,使導體受到安培力的作用,從而直接影響到導體或線圈的運動。
2、以電磁感應現象為核心,綜合力學各種不同的規律(如機械能、動量、牛頓運動定律)等內容形成的綜合類問題。
電學部分思路:將產生感應電動勢的那部分電路等效為電源,如果在一個電路中切割磁感線的是幾部分但又互相聯繫,可等效成電源的串並聯,分析內外電路結構,應用閉合電路歐姆定律和部分電路歐姆定律理順電學量之間的關係。
力學部分思路:分析通電導體的受力情況及力的效果,應用牛頓定律、動量定理、動量守恆、動能定理、機械能守恆等規律理順力學量之間的關係。
3、電磁感應中的能量轉化問題
電磁感應過程實質是不同形式的能量轉化的過程,電磁感應過程中產生的感應電流在磁場中必定受到安培力作用。因此要維持安培力存在,必須有「外力」克服安培力做功。此過程中,其他形式的能轉化為電能。「外力」克服安培力做多少功,就有多少其他形式的能轉化為電能。當感應電流通過用電器時,電能又轉化為其他形式的能。
同理,安培力做功的過程,是電能轉化為其他形式的能的過程,安培力做多少功就有多少電能轉化為其他形式的能。
因此電能求解思路主要有三種:
① 利用克服安培力求解:電磁感應中產生的電能等於克服安培力所做的功。
② 利用能量守恆求解:開始的機械能總和與最後的機械能總和之差等於產生的電能。
③ 利用電路特徵來求解:通過電路中所產生的電能來計算。
4、電磁感應中的圖象問題
電磁感應中常涉及磁感應強度B、磁通量Φ、感應電動勢E和感應電流I隨時間t變化的圖象,即B—t圖象、Φ—t圖象、E—t圖象和I—t圖象。對於切割磁感線產生感應電動勢和感應電流的情況,還常涉及感應電動勢E和感應電流I隨線圈位移x變化的圖象,即E—x圖象和I—x圖象。
這些圖象問題大體上可分為兩類:
① 由給定的電磁感應過程選出或畫出正確的圖象。
② 由給定的有關圖象分析電磁感應過程,求解相應的物理量。
不管是何種類型,電磁感應中的圖象問題常需利用右手定則、楞次定律和法拉第電磁感應定律等規律分析解決。
例1、如圖所示,在一均勻磁場中有一U形導線框abcd,線框處於水平面內,磁場與線框平面垂直,R為一電阻,ef為垂直於ab的一根導體杆,它可在ab、cd上無摩擦地滑動。杆ef及線框中導線的電阻都可不計。開始時,給ef一個向右的初速度,則( )
A. ef將減速向右運動,但不是勻減速
B. ef將勻減速向右運動,最後停止
C. ef將勻速向右運動
D. ef將往返運動
解析:給ef一個向右的初速度,則ef產生感應電動勢,迴路中產生感應電流。由楞次定律可以判斷,ef受到一個向左的安培力的作用而減速,隨著ef的速度減小,ef產生的感應電動勢減小,迴路的感應電流減小,安培力減小,因此可以判斷ef是做加速度逐漸減小的減速運動。因此可知選項A是正確的。
答案:A
例2、如圖甲所示,兩根足夠長的直金屬導軌MN、PQ平行放置在傾角為θ的絕緣斜面上,兩導軌間距為L。M、P兩點間接有阻值R的電阻。一根質量為m的均勻直金屬杆ab放在兩導軌上,並與導軌垂直,整套裝置處於磁感應強度為B的勻強磁場中,磁場方向的垂直斜面向下。導軌和金屬杆的電阻可忽略。讓ab杆沿導軌由靜止開始下滑,導軌和金屬杆接觸良好,不計它們之間的摩擦。
(1)由b向a方向看到的裝置如圖乙所示,請在此圖中畫出ab杆下滑過程中某時刻的受力示意圖;
(2)在加速下滑過程中,當ab杆的速度大小為v時,求此時ab杆中的電流及其加速度的大小;
(3)求在下滑過程中,ab杆可以達到的速度最大值。
解析:(1)重力mg,豎直向下;支撐力N,垂直斜面向上;安培力F,沿斜面向上。
(2)當ab杆速度為v時,感應電動勢E =Blv,此時電路中電流。
ab杆受到安培力,
根據牛頓運動定律,有,
(3)當時,ab杆達到最大速度vm。
例3、兩根足夠長的固定的平行金屬導軌位於同一水平面內,兩導軌間的距離為l。導軌上面橫放著兩根導體棒ab和cd,構成矩形迴路,如圖所示。兩根導體棒的質量皆為m,電阻皆為R,迴路中其餘部分的電阻可不計。在整個導軌平面內都有豎直向上的勻強磁場,磁感應強度為B。設兩導體棒均可沿導軌無摩擦地滑行。開始時,棒cd靜止,棒ab有指向棒cd的初速度v0。若兩導體棒在運動中始終不接觸,求:
(1)在運動中產生的焦耳熱最多是多少?
(2)當ab棒的速度變為初速度的時,cd棒的加速度是多少?
解析:ab棒向cd棒運動時,兩棒和導軌構成的迴路面積變小,磁通量發生變化,於是產生感應電流。ab棒受到與運動方向相反的安培力作用做減速運動,cd棒則在安培力作用下做加速運動。在ab棒的速度大於cd棒的速度時,迴路總有感應電流,ab棒繼續減速,cd棒繼續加速。兩棒速度達到相同後,迴路面積保持不變,磁通量不變化,不產生感應電流,兩棒以相同的速度v做勻速運動。
(1)從初始至兩棒達到速度相同的過程中,兩棒總動量守恆,有
①
根據能量守恆,整個過程中產生的總熱量
②
(2)設ab棒的速度變為初速度的時,cd棒的速度為v′,則由動量守恆可知
③
此時迴路中的感應電動勢和感應電流分別為
④
⑤
此時cd棒所受的安培力
⑥
cd棒的加速度
⑦
由以上各式,可得
⑧
例4、把一個矩形線圈從有理想邊界的勻強磁場中勻速拉出(如圖),第一次速度為v1,第二次速度為v2且v2=2v1,則兩種情況下拉力的功之比W1/W2= ,拉力的功率之比P1/P2= ,線圈中產生焦耳熱之比Q1/Q2= 。
解析:設線圈的ab邊長為L,bc邊長為L′,整個線圈的電阻為R,把ab邊拉出磁場時,cd邊以速度v勻速運動切割磁感線產生感應電動勢。
其電流方向從c指向d,線圈中形成的感應電流
cd邊所受的安培力
為了維持線圈勻速運動,所需外力大小為
因此拉出線圈過程外力的功
外力的功率
線圈中產生的焦耳熱
由上面得出的W、P、Q的表達式可知,兩情況拉力的功、功率、線圈中的焦耳熱之比分別為1∶2、1∶4、1∶2。
例5、圖中a1b1c1d1和a2b2c2d2為在同一豎直面內的金屬導軌,處在磁感應強度為B的勻強磁場中,磁場方向垂直導軌所在的平面(紙面)向裡。導軌的a1b1段與a2b2段是豎直的,距離為l1 ;c1d1段與c2d2段也是豎直的,距離為l2。x1y1與x2y2為兩根用不可伸長的絕緣輕線相連的金屬細杆,質量分別為m1和m2,它們都垂直於導軌並與導軌保持光滑接觸。兩桿與導軌構成的迴路的總電阻為R。F為作用於金屬杆x1y1上的豎直向上的恆力。已知兩桿運動到圖示位置時,已勻速向上運動,求此時作用於兩桿的重力的功率的大小和迴路電阻上的熱功率。
解析:設杆向上運動的速度為v,因杆的運動,兩桿與導軌構成的迴路的面積減少,從而磁通量也減少,由法拉第電磁感應定律,迴路中的感應電動勢的大小
迴路中的電流
電流沿順時針方向,兩金屬杆都要受到安培力作用,作用於杆x1y1的安培力為
(方向向上)
作用於杆x2y2的安培力為(方向向下)
當杆勻速運動時,根據牛頓第二定律有
解以上各式
作用於兩桿的重力功率的大小
電阻上的熱功率
例6、一矩形線圈位於一隨時間t變化的勻強磁場內,磁場方向垂直線圈所在的平面(紙面)向裡,如圖1所示。以I表示線圈中的感應電流,以圖中的線圈上所示方向的電流為正,則圖2中的I—t圖正確的是( )
圖1
圖2
解析:由圖象可知,在0到1秒的時間內,磁感應強度均勻增大,那麼感應電流的方向為逆時針方向,與圖示電流方向相反,為負值,排除B、C選項。根據法拉第電磁感應定律,其大小,=為一定值,在2到3秒和4到5秒內,磁感應強度不變,磁通量不變,無感應電流生成,D錯誤,所以A選項感應強度不變,磁通量不變,無感應電流生成,D錯誤,所以A選項正確。
答案:A
例7、兩根光滑的長直金屬導軌導軌MN、M'N'平行置於同一水平面內,導軌間距為l,電阻不計,M、M'處接有如圖所示的電路,電路中各電阻的阻值均為R,電容器的電容為C。長度也為l、阻值同為R的金屬棒ab垂直於導軌放置,導軌處於磁感應強度為B、方向豎直向下的勻強磁場中。ab在外力作用下向右勻速運動且與導軌保持良好接觸,在ab運動距離為s的過程中,整個迴路中產生的焦耳熱為Q。求:
(1)ab運動速度v的大小;
(2)電容器所帶的電荷量q。
解析:(1)設ab上產生的感應電動勢為E,迴路中電流為I,ab運動距離s所用的時間為t,則有:E=BLv,,,Q=I2(4R)t
由上述方程得:
(2)設電容器兩極板間的電勢差為U,則有:U=IR
電容器所帶電荷量為:q=CU
解得:
例8、如圖所示,空間等間距分布著水平方向的條形勻強磁場,豎直方向磁場區域足夠長,磁感應強度B=1 T,每一條形磁場區域的寬度及相鄰條形磁場區域的間距均為d=0.5 m,現有一邊長l=0.2 m、質量m=0.1 kg、電阻R=0.1 Ω的正方形線框MNOP以v0=7 m/s的初速從左側磁場邊緣水平進入磁場,求:
(1)線框MN邊剛進入磁場時受到安培力的大小F;
(2)線框從開始進入磁場到豎直下落的過程中產生的焦耳熱Q;
(3)線框能穿過的完整條形磁場區域的個數n。
解析:(1)線框MN邊剛進入磁場時有:
(2)設線框豎直下落H時,速度為vH
由能量守恆得:
自由落體規律:
解得:
(3)線框穿過第1個條形磁場左邊界過程中:
根據動量定理:
解得:
同理線框穿過第1個條形磁場右邊界過程中有:
所以線框穿過第1個條形磁場過程中有:
設線框能穿過n個條形磁場,則有:
解得:
可穿過4個完整條形磁場區域