1、电磁感应专题动力学与能量问题电磁感应专题(动力学与能量问题)【典例1】如图1所示,光滑斜面的倾角30,在斜面上放置一矩形线框abcd,ab边的边长l11 m,bc边的边长l20.6 m,线框的质量m1 kg,电阻R0.1 ,线框通过细线与重物相连,重物质量M2 kg,斜面上ef(efgh)的右方有垂直斜面向上的匀强磁场,磁感应强度B0.5 T,如果线框从静止开始运动,进入磁场的最初一段时间做匀速运动,ef和gh的距离s11.4 m,(取g10 m/s2),求:图1(1)线框进入磁场前重物的加速度;(2)线框进入磁场时匀速运动的速度v;(3)ab边由静止开始到运动到gh处所用的时间t;(4)ab
2、边运动到gh处的速度大小及在线框由静止开始运动到gh处的整个过程中产生的焦耳热。1如图2所示,MN、PQ为足够长的平行金属导轨,间距L0.50 m,导轨平面与水平面间夹角37,N、Q间连接一个电阻R5.0 ,匀强磁场垂直于导轨平面向上,磁感应强度B1.0 T。将一根质量为m0.050 kg的金属棒放在导轨的ab位置,金属棒及导轨的电阻不计。现由静止释放金属棒,金属棒沿导轨向下运动过程中始终与导轨垂直,且与导轨接触良好。已知金属棒与导轨间的动摩擦因数0.50,当金属棒滑行至cd处时,其速度大小开始保持不变,位置cd与ab之间的距离s2.0 m。已知g10 m/s2,sin 370.60,cos
3、370.80。求:图2(1)金属棒沿导轨开始下滑时的加速度大小;(2)金属棒到达cd处的速度大小;(3)金属棒由位置ab运动到cd的过程中,电阻R产生的热量。【典例2】(2014天津卷,11)如图3所示,两根足够长的平行金属导轨固定在倾角30的斜面上,导轨电阻不计,间距L0.4 m。导轨所在空间被分成区域和,两区域的边界与斜面的交线为MN,中的匀强磁场方向垂直斜面向下,中的匀强磁场方向垂直斜面向上,两磁场的磁感应强度大小均为B0.5 T。在区域中,将质量m10.1 kg,电阻R10.1 的金属条ab放在导轨上,ab刚好不下滑。然后,在区域中将质量m20.4 kg,电阻R20.1 的光滑导体棒c
4、d置于导轨上,由静止开始下滑。cd在滑动过程中始终处于区域的磁场中,ab、cd始终与导轨垂直且两端与导轨保持良好接触,取g10 m/s2,问:图3(1)cd下滑的过程中,ab中的电流方向;(2)ab刚要向上滑动时,cd的速度v多大;(3)从cd开始下滑到ab刚要向上滑动的过程中,cd滑动的距离s3.8 m,此过程中ab上产生的热量Q是多少。【变式训练】2(多选)如图4所示,粗糙的平行金属导轨倾斜放置,导轨电阻不计,顶端QQ之间连接一个阻值为R的电阻和开关S,底端PP处与一小段水平轨道相连,有匀强磁场垂直于导轨平面。断开开关S,将一根质量为m、长为l的金属棒从AA处由静止开始滑下,落在水平面上的
5、FF处;闭合开关S,将金属棒仍从AA处由静止开始滑下,落在水平面上的EE处;开关S仍闭合,金属棒从CC处(图中没画出)由静止开始滑下,仍落在水平面上的EE处。(忽略金属棒经过PP处的能量损失)测得相关数据如图所示,下列说法正确的是()图4AS断开时,金属棒沿导轨下滑的加速度为BS闭合时,金属棒刚离开轨道时的速度为x2C电阻R上产生的热量Q (xx)DCC一定在AA的上方【典例3】(2014江苏卷,13)如图5所示,在匀强磁场中有一倾斜的平行金属导轨,导轨间距为L,长为3d,导轨平面与水平面的夹角为,在导轨的中部刷有一段长为d的薄绝缘涂层。匀强磁场的磁感应强度大小为B,方向与导轨平面垂直。质量为
6、m的导体棒从导轨的顶端由静止释放,在滑上涂层之前已经做匀速运动,并一直匀速滑到导轨底端。导体棒始终与导轨垂直,且仅与涂层间有摩擦,接在两导轨间的电阻为R,其他部分的电阻均不计,重力加速度为g。求:图5(1)导体棒与涂层间的动摩擦因数;(2)导体棒匀速运动的速度大小v;(3)整个运动过程中,电阻产生的焦耳热Q。【变式训练】3如图6甲,电阻不计的轨道MON与PRQ平行放置,ON及RQ与水平面的倾角53,MO及PR部分的匀强磁场竖直向下,ON及RQ部分的磁场平行轨道向下,磁场的磁感应强度大小相同,两根相同的导体棒ab和cd分别放置在导轨上,与导轨垂直并始终接触良好。棒的质量m1.0 kg,R1.0
7、,长度L1.0 m与导轨间距相同,棒与导轨间动摩擦因数0.5,现对ab棒施加一个方向水向右,按图乙规律变化的力F,同时由静止释放cd棒,则ab棒做初速度为零的匀加速直线运动,g取10 m/s2。图6(1)求ab棒的加速度大小;(2)求磁感应强度B的大小;(3)若已知在前2 s内F做功W30 J,求前2 s内电路产生的焦耳热;(4)求cd棒达到最大速度所需的时间。规范解答(1)线框进入磁场前,仅受到细线的拉力T,斜面的支持力和线框的重力,重物受到自身的重力和细线的拉力T,对线框由牛顿第二定律得Tmgsin ma对重物由牛顿第二定律得MgTMa又TT联立解得线框进入磁场前重物的加速度a5 m/s2
8、。(2)因为线框进入磁场的最初一段时间做匀速运动,则重物受力平衡:MgT1线框abcd受力平衡:T1mgsin TF安又T1T1ab边进入磁场切割磁感线,产生的感应电动势EBl1v回路中的感应电流为Iab边受到的安培力为F安BIl1联立解得Mgmgsin 代入数据解得v6 m/s。(3)线框abcd进入磁场前,做匀加速直线运动;进磁场的过程中,做匀速直线运动;进入磁场后到运动至gh处,仍做匀加速直线运动。进磁场前线框的加速度大小与重物的加速度大小相同,为a5 m/s2,该阶段的运动时间为t11.2 s进入磁场过程中匀速运动的时间t20.1 s线框完全进入磁场后的受力情况同进入磁场前的受力情况相
9、同,所以该阶段的加速度仍为a5 m/s2由匀变速直线运动的规律得sl2vt3at解得t31.2 s因此ab边由静止开始到运动到gh处所用的时间tt1t2t32.5 s。(4)线框ab边运动到gh处的速度vvat36 m/s51.2 m/s12 m/s整个运动过程产生的焦耳热QF安l(Mgmgsin )l29 J。答案(1)5 m/s2(2)6 m/s(3)2.5 s(4)12 m/s9 J解析(1)设金属棒开始下滑时的加速度大小为a,则mgsin mgcos ma解得a2.0 m/s2(2)设金属棒到达cd位置时速度大小为v、电流为I,金属棒受力平衡,有mgsin BILmgcos I解得v2
10、.0 m/s(3)设金属棒从ab运动到cd的过程中,电阻R上产生的热量为Q,由能量守恒,有mgssin mv2mgscos Q解得Q0.10 J答案(1)2.0 m/s2(2)2.0 m/s(3)0.10 J解析(1)根据右手定则判知cd中电流方向由d流向c,故ab中电流方向由a流向b。(2)开始放置ab刚好不下滑时,ab所受摩擦力为最大摩擦力,设其为fmax,有fmaxm1gsin 设ab刚好要上滑时,cd棒的感应电动势为E,由法拉第电磁感应定律有EBLv设电路中的感应电流为I,由闭合电路欧姆定律有I设ab所受安培力为F安,有F安BIL此时ab受到的最大摩擦力方向沿斜面向下,由平衡条件有F安
11、m1gsin fmax联立式,代入数据解得:v5 m/s(3)设cd棒的运动过程中电路中产生的总热量为Q总,由能量守恒定律有m2gssin Q总m2v2由串联电路规律有QQ总联立解得:Q1.3 J答案(1)由a流向b(2)5 m/s(3)1.3 J解析由平抛运动知识可知,S断开时,由hgt2,x1v1t,v2a1s,可得v1x1,a1,A错误;同理可得闭合开关S,v2x2,B正确;故电阻R上产生的热量Qmvmv (xx),C正确;因为金属棒有一部分机械能转化为电阻R上的内能,故不能判断CC与AA位置的关系,D错误。答案BC解析(1)在绝缘涂层上运动时,受力平衡,则有mgsin mgcos 解得
12、:tan (2)在光滑导轨上匀速运动时,导体棒产生的感应电动势为:EBLv则电路中的感应电流I导体棒所受安培力F安BIL且由平衡条件得F安mgsin 联立式,解得v(3)从开始下滑到滑至底端由能量守恒定律得:3mgdsin QQfmv2摩擦产生的内能Qfmgdcos 联立解得Q2mgdsin 答案(1)tan (2) (3)2mgdsin 解析(1)对ab棒:fmgvatFBILfmaFm(ga)由图像信息,代入数据解得:a1 m/s2(2)当t12 s时,F10 N,由(1)知Fm(ga),得B2 T(3)02 s过程中,对ab棒,sat2 mv2at12 m/s由动能定理知:WmgsQmv代入数据解得Q18 J(4)设当时间为t时,cd棒达到最大速度,NBILmgcos 53fNmgsin 53fmgsin 53(mgcos 53)解得:t5 s答案(1)1 m/s2(2)2 T(3)18 J(4)5 s
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