电磁感应现象中的杆导轨模型专题教案中学教育高考中学教育高考.pdf
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1、 2019-8-5 电磁感应现象中的“杆+导轨”模型专题 解决电磁感应电路问题的关键就是借鉴或利用相似原型来启发理解和变换物理模型,即把电磁感应的问题等效转换成稳恒直流电路,把产生感应电动势的那部分导体等效为内电路.感应电动势的大小相当于电源电动势.其余部分相当于外电路,并画出等效电路图.此时,处理问题的方法与闭合电路求解基本一致,惟一要注意的是电磁感应现象中,有时导体两端有电压,但没有电流流过,这类似电源两端有电势差但没有接入电路时,电流为零。变换物理模型,是将陌生的物理模型与熟悉的物理模型相比较,分析异同并从中挖掘其内在联系,从而建立起熟悉模型与未知现象之间相互关系的一种特殊解题方法.巧妙
2、地运用“类同”变换,“类似”变换,“类异”变换,可使复杂、陌生、抽象的问题变成简单、熟悉、具体的题型,从而使问题大为简化.电磁感应现象部分的知识历来是高考的重点、热点,出题时可将力学、电磁学等知识溶于一体,能很好地考查学生的理解、推理、分析综合及应用数学处理物理问题的能力通过近年高考题的研究,此部分每年都有“杆+导轨”模型的高考题出现。一、命题演变“杆+导轨”模型类试题命题的“基本道具”:导轨、金属棒、磁场,其变化点有:1导轨(1)导轨的形状:常见导轨的形状为U 形,还可以为圆形、三角形、三角函数图形等;(2)导轨的闭合性:导轨本身可以不闭合,也可闭合;(3)导轨电阻:不计、均匀分布或部分有电
3、阻、串上外电阻;(4)导轨的放置:水平、竖直、倾斜放置等等 例 1(2003上海22)如图 1 所示,OACO为置于水平面内的光滑闭合金属导轨,O、C处分别接有短电阻丝(图中粗线表法),R1=4、R2=8(导轨其它部分电阻不计)导轨 OAC的形状满足方程 y=2sin(3x)(单位:m)磁感强度 B=0.2T 的匀强磁场方向垂直于导轨平面一足够长的金属棒在水平外力 F作用下,以恒定的速率 v=5.0m/s 水平向右在导轨上从 O 点滑动到 C点,棒与导轨接触良好且始终保持与 OC导轨垂直,不计棒的电阻求:(1)外力 F的最大值;(2)金属棒在导轨上运动时电阻丝 R1上消耗的最大功率;(3)在滑
4、动过程中通过金属棒的电流 I与时间 t 的关系 解析:本题难点在于导轨呈三角函数图形形状,金属棒的有效长度随时间而变化,但第(1)(2)问均求的是某一状态所对应的物理量,降低了一定的难度解第(3)问时可根据条件推导出外力 F的表达式及电流 I与时间 t 的关系式,由三角函数和其他条件求出需要的量即可 (1)金属棒匀速运动 F外=F安,当安培力为最大值时,外力有最大值 2019-8-5 又E=BLv F安=BIL=总RvLB22 即当 L取最大值时,安培力有最大值 Lmax=22sin=2(m)38 R2121RRRR总()总RvLBF2max2max 代入数据得Fmax=0.3(N)(2)R1
5、、R2相并联,由电阻丝 R1上的功率121REP,可知当maxLL 时 P1有最大功率,即 140.522.0 222122max212maxmaxRvLBREP(W)(3)金属棒与导轨接触点间的长度随时间变化 L=2sin(3x)(m)且 x=vt,E=BLv I=总总RBLvRE=43sin(35t)(A)2金属棒(1)金属棒的受力情况:受安培力以外的拉力、阻力或仅受安培力;(2)金属棒的初始状态:静止或运动;(3)金属棒的运动状态:匀速、匀变速、非匀变速直线运动,转动;(4)金属棒割磁感线状况:整体切割磁感线或部分切割磁感线;(5)金属棒与导轨的连接:金属棒可整体或部分接入电路,即金属棒
6、的有效长度问题 3磁场(1)磁场的状态:磁场可以是稳定不变的,也可以均匀变化或非均匀变化(2)磁场的分布:有界或无界 二、模型转换 电磁感应现象考查的知识重点是法拉第电磁感应定律,根据法拉第电磁感应定律的表达式tBSntnE)(,有下列四个模型转换:1B变化,S不变(1)B均匀变化 B随时间均匀变化 图 1 模型即把电磁感应的问题等效转换成稳恒直流电路把产生感应电动势的那部分导体等效为内电路感应电动势的大小相当于电源电动势其余部分相当于外电路并画出等效电路图此时处理问题的方法与闭合电路求解基本一致惟一要注意换物理模型是将陌生的物理模型与熟悉的物理模型相比较分析异同并从中挖掘其内在联系从而建立起
7、熟悉模型与未知现象之间相互关系的一种特殊解题方法妙地运用类同变换类似变换类异变换可使复杂陌生抽象的问题变成简单熟悉于一体能很好地考查学生的理解推理分析综合及应用数学处理物理问题的能力通过近年高考题的研究此部分每年都有杆导轨模型的高考题出现一命题演变杆导轨模型类试题命题的基本道具导轨金属棒磁场其变化点有导轨导轨的形状 2019-8-5 如果 B随时间均匀变化,则可以写出 B关于时间 t 的表达式,再用法拉第电磁感应定律解题,如例 2 第(1)问 B随位置均匀变化 B随位置均匀变化的解题方法类似于 B随时间均匀变化的情形(2)B非均匀变化 B 非均匀变化的情况在高中并不多见,如例 2 第(3)问如
8、果题目给出了 B 非均匀变化的表达式,也可用后面给出的求导法求解 例 2(2000上海23)如图 2 所示,固定于水平桌面上的金属框架 cdef,处在竖直向下的匀强磁场中,金属棒 ab 搁在框架上,可无摩擦滑动此时 abed 构成一个边长为 l 的正方形,棒的电阻为 r,其余部分电阻不计开始磁感强度为 B0(1)若从 t=0 时刻起,磁感强度均匀增加,每秒增量为 k,同时棒保持静止求棒中的感应电流在图上标出感应电流的方向;(2)在上述(1)情况中,始终保持棒静止,当 t=t1末时需加的垂直于棒的水平拉力为多大?(3)若 t=0 时刻起,磁感强度逐渐减小,当棒以恒定速度 v 向右做匀速运动时,可
9、使棒中不产生感应电流,则磁感强度应怎样随时间变化(写出 B与 t 的关系式)?解析:将加速度的定义式和电磁感应定律的表达式类比,弄清 k 的物理意义,写出可与atvvt0相对照的B的表达式ktBB0;第(3)问中B、S 均在变化,要能抓住产生感应电流的条件(回路闭合;回路中有磁通量的变化)解题(1)磁感强度均匀增加,每秒增量为 k,得ktB 感应电动势2SkltBtE 感应电流rklrEI2 由楞次定律可判定感应电流方向为逆时针,棒ab 上的电流方向为 ba(2)t=t1时,B=B0+kt1 又F=BIl rklktBF310)((3)棒中不产生感应电流 回路中总磁通量不变 Bl(l+vt)=
10、B0l2 d a b 图 2 e B0 c f 模型即把电磁感应的问题等效转换成稳恒直流电路把产生感应电动势的那部分导体等效为内电路感应电动势的大小相当于电源电动势其余部分相当于外电路并画出等效电路图此时处理问题的方法与闭合电路求解基本一致惟一要注意换物理模型是将陌生的物理模型与熟悉的物理模型相比较分析异同并从中挖掘其内在联系从而建立起熟悉模型与未知现象之间相互关系的一种特殊解题方法妙地运用类同变换类似变换类异变换可使复杂陌生抽象的问题变成简单熟悉于一体能很好地考查学生的理解推理分析综合及应用数学处理物理问题的能力通过近年高考题的研究此部分每年都有杆导轨模型的高考题出现一命题演变杆导轨模型类试
11、题命题的基本道具导轨金属棒磁场其变化点有导轨导轨的形状 2019-8-5 得vtllBB0 2B不变,S变化(1)金属棒运动导致S变化 金属棒在匀强磁场中做切割磁感线的运动时,其感应电动势的常用计算公式为BLvE,此类题型较常见,如例 3 例 3(2002上海22)如图 3 所示,两条互相平行的光滑金属导轨位于水平面内,距离为l=0.2m,在导轨的一端接有阻值为 R=0.5的电阻,在 x0 处有一与水平面垂直的均匀磁场,磁感强度 B=0.5T一质量为 m=0.1kg 的金属直杆垂直放置在导轨上,并以 v0=2m/s 的初速度进入磁场,在安培力和一垂直于杆的水平外力 F的共同作用下做匀变速直线运
12、动,加速度大小为 a=2m/s2、方向与初速度方向相反设导轨和金属杆的电阻都可以忽略,且接触良好求:(1)电流为零时金属杆所处的位置;(2)电流为最大值的一半时施加在金属杆上外力 F的大小和方向;(3)保持其他条件不变,而初速度 v0取不同值,求开始时 F的方向与初速度 v0取值的关系 解析:杆在水平外力 F和安培力的共同作用下做匀变速直线运动,加速度 a 方向向左杆的运动过程:向右匀减速运动速度为零向左匀加速运动;外力 F方向的判断方法:先假设,再根据结果的正负号判断(1)感应电动势 E=Blv,感应电流 I=RBlvRE I=0 时 v=0 x=av2 20=1(m)(2)当杆的速度取最大
13、速度 v0时,杆上有最大电流 Im=RBlv0 安培力F安=BI l=RvlB2022=0.02(N)向右运动时 F+F安=ma,得 F=ma-F安=0.18(N),方向与 x 轴相反 向左运动时 F-F安=ma,得 F=ma+F安=0.22(N),方向与 x 轴相反(3)开始时 v=v0,F安=BIml=RvlB022 F+F安=ma,F=ma-F安=ma-RvlB022 m a v0 B 图 3 R x O l 模型即把电磁感应的问题等效转换成稳恒直流电路把产生感应电动势的那部分导体等效为内电路感应电动势的大小相当于电源电动势其余部分相当于外电路并画出等效电路图此时处理问题的方法与闭合电路
14、求解基本一致惟一要注意换物理模型是将陌生的物理模型与熟悉的物理模型相比较分析异同并从中挖掘其内在联系从而建立起熟悉模型与未知现象之间相互关系的一种特殊解题方法妙地运用类同变换类似变换类异变换可使复杂陌生抽象的问题变成简单熟悉于一体能很好地考查学生的理解推理分析综合及应用数学处理物理问题的能力通过近年高考题的研究此部分每年都有杆导轨模型的高考题出现一命题演变杆导轨模型类试题命题的基本道具导轨金属棒磁场其变化点有导轨导轨的形状 2019-8-5 当 v00,方向与 x 轴相反 当 v022lBmaR=10m/s 时,F0,方向与 x 轴相同(2)导轨变形导致 S变化 常常根据法拉第电磁感应定律解题
15、,如例 4.例 4(2001上海22)如图 4 所示,半径为 a 的圆形区域内有均匀磁场,磁感强度为 B0.2T,磁场方向垂直纸面向里,半径为 b 的金属圆环与磁场同心地放置,磁场与环面垂直,其中 a0.4m,b0.6m,金属环上分别接有灯 L1、L2,两灯的电阻均为 R02,一金属棒 MN 与金属环接触良好,棒与环的电阻均忽略不计(1)若棒以 v05m/s 的速率在环上向右匀速滑动,求棒滑过圆环 直径 OO的瞬时(如图所示),MN 中的电动势和流过灯 L1的电流(2)撤去中间的金属棒 MN 将右面的半圆环 OL2O 以 OO 为轴向 上翻转 90,若此时磁场随时间均匀变化,其变化率为4tB(
16、T/s),求 L1的功率 解析:(1)当棒滑过圆环直径 OO的瞬时,棒的有效长度为2a,灯 L1、L2是并联的 E1B2av0.20.850.8(V)4.028.011REI(A)(2)将右面的半圆环 OL2O 以 OO 为轴向上翻转 90后,圆环的有效面积为半圆其中 B随时间是均匀变化的,注意此时灯L1、L2是串联的 32.0222atBtE(V)REP221)2(1.28102(W)另外还可在 S 不规则变化上做文章,如金属棒旋转、导轨呈三角形等等 3.“双杆+导轨”模型 例 5足够长的光滑金属导轨 EF,PQ 水平放置,质量为 m 电阻为 R的相同金属棒 ab,cd 与导轨垂直且接触良好
17、,磁感强度为 B 的匀强磁场垂直导轨平面向里如图 5 所示。现用恒力 F作用于 ab 棒上,使它向右运动。则 A安培力对 cd 做正功使它向右加速运动 B外力 F做的功等于克服 ab 棒上安培力的功 C外力作的功等于回路产生的总热量和系统的动能 图 4 图 5 E F P Q d b c a F 模型即把电磁感应的问题等效转换成稳恒直流电路把产生感应电动势的那部分导体等效为内电路感应电动势的大小相当于电源电动势其余部分相当于外电路并画出等效电路图此时处理问题的方法与闭合电路求解基本一致惟一要注意换物理模型是将陌生的物理模型与熟悉的物理模型相比较分析异同并从中挖掘其内在联系从而建立起熟悉模型与未
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