当前位置 > 高中物理 > 教学视频

探究随时间变化的匀强磁场中金属杆的运动及安培力

更新时间:2024-06-21 文章作者:佚名 信息来源:网络整理 阅读次数:

举例:如图:LzB物理好资源网(原物理ok网)

感应电动势公式LzB物理好资源网(原物理ok网)

水平桌面上固定两平行金属轨道,每条轨道每米的电阻为r₀=0.10Ω/m,轨道端点P、Q用电阻可忽略的导线连接,两轨道间距离l=0.20m。桌面上有随时间变化的均匀磁场,垂直于桌面。已知磁感应强度B与时间t的关系为B=kt,比例系数k=0.020T/s。一根阻力可忽略的金属棒可以在轨道上无摩擦滑动,滑动过程中金属棒始终垂直于轨道。在t=0时,金属棒靠近P、Q端,在外力作用下,棒开始以恒定的加速度由静止滑向轨道的另一端。求t=6.0s时金属棒所受的安培力。LzB物理好资源网(原物理ok网)

解:设a表示金属棒的加速度,在t时刻,金属棒与初始位置的距离为L=at²/2,此时棒的速度为v=at,此时棒与导轨所形成的环路面积为S=Ll,环路中感应电动势为LzB物理好资源网(原物理ok网)

感应电动势公式LzB物理好资源网(原物理ok网)

线圈总电阻为R=2Lr₀,线圈感应电流为I=E/R,作用在杆上的力为F=BIl,计算结果为F=3k²l²t/2r₀,代入数据可得F=1.44×10⁻³N。LzB物理好资源网(原物理ok网)

根据杆从静止以恒定的加速度滑向导轨的另一端,用运动学公式来表达金属杆离开初始位置的距离和杆的速度。电路中的感生电动势既有动电动势,也有感生电动势,而且是增强电动势。利用电路中的感生电动势来计算电流和安培力。LzB物理好资源网(原物理ok网)

☞在电磁感应现象中,有两种基本模型:LzB物理好资源网(原物理ok网)

感应电动势公式LzB物理好资源网(原物理ok网)

磁场恒定的单杆切割型如图(a)所示;面积不变,磁场发生变化,如图(b)所示。本题中,当金属杆向右移动时,一方面杆切割磁场,另一方面磁场发生变化。因此,原图可以转化为图(a)和图(b)两类模型的叠加。考虑到切割和增加磁场产生的感应电动势方向相同感应电动势公式,原电路的感应电动势可以写成LzB物理好资源网(原物理ok网)

感应电动势公式LzB物理好资源网(原物理ok网)

摘要:当感应与运动共存时:先写出磁通量Φ与时间t的函数关系,然后计算磁通量Φ关于时间t的倒数。LzB物理好资源网(原物理ok网)

感应电动势公式LzB物理好资源网(原物理ok网)

例:如图所示,固定在水平面上的金属框架CDEF处于垂直向下的均匀磁场中。当一根金属棒MN以速度v沿框架向右匀速移动时,磁感应强度为B₀。此时MN所处的位置使得MDEN形成一个边长为l的正方形。为使MN棒中不产生感应电流,从t=0开始,磁感应强度B随时间t应如何变化?请推导该例中B与t的关系。LzB物理好资源网(原物理ok网)

解法1(常规解):由于电路中无电流,任何时刻回路中磁通的变化率都为零,任何时刻回路中的磁通都等于初始时刻的磁通。LzB物理好资源网(原物理ok网)

感应电动势公式LzB物理好资源网(原物理ok网)

现在LzB物理好资源网(原物理ok网)

感应电动势公式LzB物理好资源网(原物理ok网)

可用的LzB物理好资源网(原物理ok网)

感应电动势公式LzB物理好资源网(原物理ok网)

点评:作为第二节题目,这个解法没有涉及到电磁感应的本质感应电动势,而是用“不变的磁通量”来解题,从答题的角度来说,已经解得非常巧妙了。LzB物理好资源网(原物理ok网)

解答2(竞争扩展):本题涉及感应与移动并存的现象,可这样处理:LzB物理好资源网(原物理ok网)

(1)列出微分方程。本题的本质是感应电动势与动生电动势共存。求解时感应电动势公式,可考虑通式E=dΦ/dt,其中Φ=BS。由于B和S都会变化,故考虑偏微分:LzB物理好资源网(原物理ok网)

感应电动势公式LzB物理好资源网(原物理ok网)

具体可以写成:LzB物理好资源网(原物理ok网)

感应电动势公式LzB物理好资源网(原物理ok网)

感应电动势公式LzB物理好资源网(原物理ok网)

(2)积分运算。上式涉及变量B和t,需要考虑变量分离。LzB物理好资源网(原物理ok网)

感应电动势公式LzB物理好资源网(原物理ok网)

两边的积分为:LzB物理好资源网(原物理ok网)

感应电动势公式LzB物理好资源网(原物理ok网)

现在LzB物理好资源网(原物理ok网)

感应电动势公式LzB物理好资源网(原物理ok网)

(3)不定积分的常数处理LzB物理好资源网(原物理ok网)

感应电动势公式LzB物理好资源网(原物理ok网)

代入初始值 t = 0,B = B₀,可得LzB物理好资源网(原物理ok网)

感应电动势公式LzB物理好资源网(原物理ok网)

例如:如图所示,LzB物理好资源网(原物理ok网)

感应电动势公式LzB物理好资源网(原物理ok网)

一根金属丝单位长度电阻为ρ,折成一个等腰直角三角形,直角边长为a。在t=0时刻,从图示位置出发,以恒定速度v进入均匀磁场。磁场按B=B₀-kt定律变化,式中k为大于零的常数。当三角形水平直角边进入一半时,求:LzB物理好资源网(原物理ok网)

(1)导体中的运动电动势;LzB物理好资源网(原物理ok网)

(2)导体中感生电动势;LzB物理好资源网(原物理ok网)

(3)导线中的电流强度。LzB物理好资源网(原物理ok网)

感应电动势公式LzB物理好资源网(原物理ok网)

例如:如图所示,LzB物理好资源网(原物理ok网)

感应电动势公式LzB物理好资源网(原物理ok网)

两根间距为l的光滑平行金属轨道位于同一水平面(纸面),轨道左端接有阻值为R的电阻;两轨道上放置一根与轨道垂直的金属棒;电阻、轨道与金属棒之间有一块面积为S的区域,该区域内存在垂直于纸面、向内的均匀磁场,磁感应强度B₁的大小与时间t的关系为B₁=kt,式中k为常数;金属棒右侧也有一块均匀磁场区域,该区域的左边界MN(虚线)垂直于轨道,磁场的磁感应强度为B₀,方向也垂直于纸面。 在某一时刻,金属棒在外加水平恒力作用下由静止开始向右运动,在时刻t₀时刚好以速度v₀越过MN,然后以匀速向右运动。金属棒与轨道始终保持垂直且接触良好,阻力均可忽略不计。求:LzB物理好资源网(原物理ok网)

(1)在t = 0至t = t₀的时间间隔内流过电阻器的电荷的绝对值;LzB物理好资源网(原物理ok网)

(2)时刻 t(t>t₀)通过线圈的总磁通量与金属杆所受的外部水平恒定力的大小LzB物理好资源网(原物理ok网)

感应电动势公式LzB物理好资源网(原物理ok网)

发表评论

统计代码放这里