高考物理,電磁場中的勻速直線運動,受力分析居然可以這麼有趣

2020-12-15 超超July

高中物理知識體系主要是:動力學(力學、運動學),功和能動量和衝量電磁學(靜電場、磁場、電磁感應、交變電流、恆定電流),機械運動和機械波,光學,熱學,微觀物理。高中物理最終需要我們不僅將知識融合,更能進行假設與邏輯分析,這個經典例題就非常具有培養人們的這項能力。

物理星空

典例:質量為m,電量為Q的金屬滑塊以某一初速度沿水平放置的木板進入電磁場空間,勻強磁場的方向垂直紙面向裡,勻強電場的方向水平且平行紙面;滑塊和木板間的動摩擦因數為,已知滑塊由A點至B點是勻速的,且在B點與提供電場的電路的控制開關K相碰,使電場立即消失,滑塊也由於碰撞動能減為碰前的1/4,其返回A點的運動恰好也是勻速的,若往返總時間為T,AB長為L,求:

電場、磁場

(1)滑塊帶什麼電?場強E的大小和方向?

(2)磁感應強度的大小為多少?

(3)摩擦力做了多少功?

分析:

(1)運動過程及對應受力分析:一開始滑塊在木板上向右做勻速直線運動,其一共受到5個力作用,並且彼此平衡,受力分析圖如圖所示。

滑塊向右運動

滑塊返回A點的運動恰好也是勻速的,由於此時滑塊速度減小且反向,根據左手定則,洛倫茲力變為豎直向上;此時還撤去了電場,如果還有摩擦力,水平方向上無法找到與其平衡的力,唯一的可能就是連摩擦力也沒有了,根據f動=FN,動摩擦因數無法改變,唯一的可能就是洛倫茲力剛好等於重力,支持力FN為0。

滑塊向左運動

(2)本題涉及知識點:受力分析,左手定則,力的平衡方程,重力、滑動摩擦力、電場力、洛倫茲力公式,運動學公式,動能定理。

(3)隱含條件:滑塊撞牆前後動能比,是為了得速度比;滑塊返,若還受摩擦力無法實現受力平衡,此時必定會有支持力為0,從而滑動摩擦力為0。

解答過程:

(1)根據題意分析得滑塊帶負電,電場強度的方向水平向左。

滑塊向右滑動時,設向右的速度為V,由力學平衡方程為

力學平衡

設滑塊返回向左滑動時的速度為V,則由題意得

動能比-速度比

滑塊返回時洛倫茲力與重力平衡

力學平衡方程

(2)由題意知滑塊來回運動過程

運動學

(3)對滑塊A-B-A的過程,由動能定理得

動能定理

總結:

(1)本題核心考點屬於高考物理#37度物理#的熱點:受力分析,左手定則,力的平衡方程,重力、滑動摩擦力、電場力、洛倫茲力公式,運動學公式,動能定理。

還可以變形一下,就是把撞牆改為撞另一個絕緣物塊,就可以加上動量守恆定律與能量守恆定律一起考了。

如果撞的是另一個相同的金屬物塊,還要考慮電荷量的重新分配,相同為先中和,再等分。

(2)本題同時設計巧妙,尤其是動能比——速度比,返回時滑動摩擦力為0,是因為此時洛倫茲力反向了,並且正好平衡重力,支持力為0 。這一點屬於打開邏輯聯想思維的點,會了,物理邏輯思維就升級了。

高考物理中,這種電磁感應雙杆模型,勻速直線運動只是終態

高考物理中,刷新動量定理與電磁感應結合的題,升級思維必備

高考物理中,動量守恆定律、能量守恆定律這樣用,思維升級了

高考物理,動量與衝量,動量守恆定律,勻變速直線運動這樣一起用

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