在物理学中,以电磁感应为核心的综合应用题包含了物理学中的几个重要内容:力与运动问题,电路问题,能量问题。高考中往往以综合题形式出现,本文通过下面这道题,给大家一个明晰的解题思路。
如图所示,MN、PQ是两根足够长的固定平行金属导轨,两导轨间的距离为L,导轨平面与水平面间的夹角为 ,在整个导轨平面内都有垂直于导轨平面斜向下方大小为B的匀强磁场,导轨的MP端连接一个阻值为R的电阻,一根质量为m、电阻为r的金属棒ab垂直导轨放置,从静止开始沿导轨下滑,已知金属棒ab与导轨间的动摩擦因数为 ,导轨的电阻均不计。求:(1)此过程中金属棒ab的最大速度
解析:金属棒ab下滑因切割磁感线,产生电动势,ab棒相当于电源,电动势大小为E=BLV,由于ab棒与MP组成闭合回路,闭合回路将产生感应电流,根据右手定则,可判定感应电流方向为abPMa。此时闭合电路等效为:电动势为E,内阻为R的电阻与电阻R串联。
电流大小为
金属棒ab中有电流,金属棒将受到力作用。再根据左手定则可判定金属棒所受安培力方向如图乙所示,大小为F =BIL
对金属棒ab棒进行受力分析,如图乙所示
正交分解,可得:N=
以ab棒为研究对象,在平行斜面向下方向,根据牛顿第二定律有:
金属棒ab做加速度减小的加速运动,当a=0时速度达到最大值vm
即
解得
总结: ①因动而电用右手,对应 E=BLV
因电而动用左手,对应 F=BIL
② 导体切割磁感线,导体本身是电源,速度最值想临界,正交牛二是关键。
(2)若金属棒ab从静止开始沿导轨下滑到速度最大时所花时间为t,能否求出此过程中通过电阻R的电荷量为多少?如果能,请求出电荷量q;如果不能,请说明理由。
不能,因为
思维转换:见电量想平均电流,见平均电流想平均电动势,见平均电动势想法拉第定律。
结论:由于不知道加速下滑的位移 ,所以求不出电荷量q。(思考: )
(3)若金属棒ab从静止开始加速下滑到速度最大过程中通过电阻R产生的热量为 ,则能否求出金属棒ab从静止开始下滑到速度最大时通过的位移?如果能,请求出位移x;如果不能,请说明理由。
由动能定理得: ①
动能定理:确定状态找动能,分析过程找力功,正功负功加一起,动能增量与它同。
其中: ②
③
从 ①②③ 可求出
总结:克服安培力转成焦耳热,克服摩擦力转成内能。