微元法在物理习题中的应用(全)
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电磁感应中的“微元法”和“牛顿第四定律”
江苏省特级教师,江苏省丰县中学——戴儒京
所谓:“微元法”
所谓“微元法”,又叫“微小变量法”,是解物理题的一种方法。
1.什么情况下用微元法解
题?在变力作用下做变变速运动(非匀变速运动)时,可考虑
用微元法解题。
2. 关于微元
法。在时间
t
很短或位移
x
很小时,非匀变速运动可以看作匀变速运动,
运动图象中的梯形可以看作矩形,所以
vtx
,
lvtlx
s
。微元法体现了微分思
想。
3. 关于求和
。许多小的梯形加
起来为大的梯形,即(注意:前面的
s
sS
,
为小写,后面
的
S
为大写),并且
速度
v
0
0
时,有
vvv
0
,当末速度
v0
时,有
v
v
0
,或初
vv
,这个求和的方法体现了积分思想。
4. 无论物理规律用牛顿定律,还是动量定理或动能定理,都可以用微元法.
如果既可以
用动量定理也可以用动能定理解。对于使用老教科书的地区,这两种解法用
哪一种都行,但对于使用课程
标准教科书的地区就不同了,因为课程标准教科书把动量的内
容移到了选修3-5,如果不选修3-5,
则不能用动量定理解,只能用动能定理解。
微元法解题,体现了微分和积分的思想,考查学生学习的潜能和独创能力。
电磁感应中的微元法
一些以“电磁感应”为题材的题目。可以用微元法解,因为在电磁感应中
,如导体切割
磁感线运动,产生感应电动势为
EBLv
,感应电流为
I<
br>BLv
,受安培力为
R
B
2
L
2
FBIL
v
,因为是变力问题,所以可以用微元法.
R
1.只受安培力的情况
例1. 如图所示,宽度为L的光滑金属导轨一端封闭,电阻不计,足够长,水平部分有
竖直向
上、磁感应强度为B的匀强磁场。质量为m、电阻为r的导体棒从高度为h的斜轨上
从静止开始滑下,由
于在磁场中受安培力的作用,在水平导轨上滑行的距离为S而停下。
(1)
求导体棒刚滑到水平面时的速度
v
0
;
(2) 写出导体棒在水平导轨上滑
行的速度
v
与在水平导轨上滑行的距离
x
的函数关
系,并画出
vx
关系草图。
(3)求出导体棒在水平导轨上滑行的距离分别为S4、S2时的速度<
br>v
1
、
v
2
;
B
h
0 S4 S2 S
x
例题图
解:(1)根据机械能守恒定
律,有
mgh
1
2
mv
0
,得
v
02gh
。 ①
2
B
2
L
2
v
,(2)设导体棒在水平导轨上滑行的速度为
v
时,受到的安培力为
fBIL<
br>R
安培力的方向与速度
v
方向相反。
用微元法,安培力是变力,设在
一段很短的时间
t
内,速度变化很小,可以认为没有变化,
f
B
2
L
2
v
,很短的时间所以安培力可以看做恒力,根据牛顿第二定
律,加速度为
a
m
mR
B
2
L
2
t<
br>内速度的变化为
vat
vt
,而
vtx
,
那么在时间
t
内速度的变化为
mR
B
2
L
2
V
()vt
,因为
mR
B
2
L2
x
②
vv
0
V
v
0<
br>
mR
B
2
L
2
)x
x
,所以<
br>V(
mR
,速度
2.既受安培力又受重力的情况
例2.
2010年南京市高考模拟题
如图所示,竖直平面内有一边长为L、质量为m、电阻为R的正方形线框
在竖直向下的匀强
重力场和水平方向的磁场组成的复合场中以初速度
v
0
水平
抛出,磁场方向与线框平面垂直,
磁场的磁感应强度随竖直向下的z轴按
BB
0kz
得规律均匀增大,已知重力加速度为
g
,
求:
(1)
线框竖直方向速度为
v
1
时,线框中瞬时电流的大小;
(2)
线框在复合场中运动的最大电功率;
(3) 若线框从开始抛出到瞬时速度大小到达
v
2
所经历的时间为
t
,那么,线框在时间
t
内
的总位移大
小为多少?
解:(1)因在竖直方向两边的磁感应强度大小不同,所以产生感应电流为
e
(B<
br>2
B
1
)Lv
1
kL
2
i
RRR
(2)当安培力等于重力时竖直速度最大,功率也就最大
(B
2B
1
)
2
L
2
v
m
k
2<
br>L
4
v
m
mg(B
2
B<
br>1
)IL
RR
所以
v
m
mgR
24
kL
m
2
g
2
R
P
m
mgv
m
24
kL
(3)线框受重力和安培力两个
力,其中重力
mg
为恒力,安培力
(B
2
B
1
)
2
L
2
v
z
k
2
L
4
v
z
f
为变力,我们把线框的运动分解为在重力作用下的运
RR<
br>动和在安培力作用下的运动。在重力作用下,在时间t 内增加的速度为
(v)
1gt
,求
在安培力作用下在时间t内增加的速度为
(v)
2
用微元法,设在微小时间
t
内,变力可以看做恒力,变加速运动可以看做匀加速运动
,加
k
2
L
4
v
z
k
2
L
4
v
z
t
,而
v
z
tz
,所以
速度为
a
,则在
t
内速度的增加为
v
mRmR
在时间t内由于安培力的作用而增加的速度(因为增加量为负,所以实际是减小)为<
br>k
2
L
4
(v)
2
mR
k<
br>2
L
4
z
,所以
(v)
2
mR
z
k
2
L
4
z
。
再根据运动的合成,时间t内总的增加的速度为
(v)
1
(v)
2=
gt
mR
k
2
L
4
22
v0
z
=
v
2
从宏观看速度的增加为
vv
,
所以
gt
,得线框在时间
t
内的总
mR
2
22
0
位移大小为
z
22
mR(gtv
2
v
0
)
k
2
L
4
。
从例题可以看出,所谓微元法是数学上的微积分理念在解物理题中的应用.
3.重力和安培力不在一条直线上的情况
例3.2008年高考江苏省物理卷第15题 如图所示,间距为L的两条足够长的平行金属导轨与水平面的夹角为θ,导轨光滑且电阻
忽略不计.
场强为B的条形匀强磁场方向与导轨平面垂直,磁场区域的宽度为d
1
,间距为d
2<
br>.两
根质量均为m、有效电阻均为R的导体棒a和b放在导轨上,并与导轨垂直.(设重力加速度
为g)
⑴若a进入第2个磁场区域时,b以与a同样的速度进入第1个磁场区域,求b穿过第
1个磁
场区域过程中增加的动能△E
k
;
⑵若a进入第2个磁场区域时,b恰好离开第1个磁场区域;此后a离开第2个磁场区域时,
b
又恰好进入第2个磁场区域.且a.b在任意一个磁场区域或无磁场区域的运动时间
均相等.求b穿过第
2个磁场区域过程中,两导体棒产生的总焦耳热Q;
⑶对于第⑵问所述的运动情况,求a穿出第k个磁场区域时的速率v.
磁场区域1
B
棒
b
磁场区域2
B
棒
a
d
1
磁场区域3
B
d
2
d
1
磁场区域4
B
d
2
d
1
磁场区域5
B
d
2
d
1
d
2
Θ d1
解:
⑴因为a和b产生的感应电动势大小相等,按回路方向相反,所以感应电流为0,所以a
和b均不受安培
力作用,由机械能守恒得
E
k
mgd
1
sin
①
⑵设导体棒刚进入无磁场区时的速度为
v
1
,刚离开无磁场区时的速度为
v<
br>2
,即导体棒刚
进入磁场区时的速度为
v
2
,刚离开磁场区时
的速度为
v
1
,由能量守恒得:
11
2
mv
1<
br>2
Qmv
2
mgd
1
sin
②
22
11
22
在无磁场区域:
mv
2
mv
1
mgd
2
sin
③
22
在磁场区域有:
解得:
Qmg(d
1
d
2
)sin
⑶用微元法
设导体棒在无磁场区域和有磁场区域的运动时间都为
t
,
在无磁场区域有:
v
2
v
1
gtsin
④
且平均速度:
v
1
v
2
d
2
⑤
2t
在有磁场区域,对a棒:
Fmgsin
BIl
且:
I
Bl
v
2R
B
2
l
2
v
解得:
Fmgsin
⑥
2R
因为速度
v
是变量,用微元法
根据牛顿第二定律,
在一段很短的时间
t
内
v
F
t
m
B
2
l
2
v
则有
<
br>v
gsin
t
<
br>2mR
因为导体棒刚进入磁场区时的速度为
v
2
,刚离开
磁场区时的速度为
v
1
,
所以
vv
1
v
2
,
vtd
,
tt
1
B
2
l
2
d
1
⑦
所以:
v
1
v
2
gtsin
2m
R
4mgRd
2
B
2
l
2
d
1
联
立④⑤⑦式,得
v
1
sin
22
8mR
Bld
1
(原答案此处一笔带过,实际上这一步很麻烦,以下笔者给出
详细过程:
B
2
l
2
d
1
④代入⑦得:
t
, ⑧
4mgRsin
⑧代入⑤得:
v1
v
2
8mgd
2
Rsin
⑨
22
Bld
1
4mgRd
2
B
2
l<
br>2
d
1
⑦+⑨得:
v
1
。)
s
in
22
8mR
Bld
1
a.b在任意一个磁
场区域或无磁场区域的运动时间均相等,
所以a穿出任一个磁场区域
时的速率v就等于
v
1
.所以
<
br>4mgRd
2
B
2
l
2
d
1
。 <
br>v
22
sin
8mR
Bld
1
(注意:由于a.b在任意一个磁场区域或无磁场区域的运动时间均相等,所以a穿出任一
个磁场区域
时的速率v都相等,所以所谓“第K个磁场区”,对本题解题没有特别意义。)
练习题
练习题1. 2007年高考江苏省物理卷第18题
如图所示,空间等间距分布着水
平方向的条形匀强磁场,竖直方向磁场区域足够长,磁感应
强度B=1T,每一条形磁场区域的宽度及相
邻条形磁场区域的间距均为d=0.5m,现有一
边长l=0.2m、质量m=0.1kg、电阻R=0
.1Ω的正方形
线框MNOP以v
0
=7ms的初速从左侧磁场边缘水平
进入
磁场,求
(1)线框MN边刚进入磁场时受到安培力的大
小F。
(2)线框从开始进入磁场到竖直下落的过程中
产生的焦耳热Q。
(3)线框能穿过的完整条形磁场区域的个数n。
解:(1)线框MN边刚进入磁场时,感应电动势
EBlv
0
1.4V
,感应电流
I
E
14A
,受到安培力的大小
F=
BIl2.8N
R
1
2
(2)水平方向速度为0,
Qmv
0
2.45J
2
(3)用“微元法”解
线框在进入和穿出条形磁场时的任一时刻,感应电动势
EBlv
0
,感应电流
I
E
,
R
B
2
l
2
v
受到安培力的大小
F=
BIl
,得
F
,
R
在
tt
时间内,由牛顿定律:
F
tv
m
B
2
l
2
B
2
l
2
)
vt
v
,
xv
0
求和,
(
mRmR
解得
x
mv
0
R
1.75
4.375
,取整
1.75m
,线框能穿过的完整条形
磁场区域的个数n=
22
0.4
Bl
数为4。
练习题2.2009年高考江苏省物理卷第15题
如图所示,两平行的光滑金属导轨安装在一
光滑绝缘斜面上,导轨间距为L、足够长且
电阻忽略不计,导轨平面的倾角为
。条形匀强磁场的宽度为
d
,磁感应强度大小为B、
方向与导轨平面垂直。长
度为
2d
的绝缘杆将导体棒和正方形的单匝线框连接在一起组成
“”型装置。总质量为
m
,置于导轨上。导体棒中通以大小恒为I的电流(由外接恒流
源产生,图中未画出)
。线框的边长为
d
(
dL
),电阻为R,下边与磁场区域上边界重合。将装置由静止释放,导体棒恰好运动到磁场区域下边界处返回。导体棒在整个运动过程中始
终与导轨
垂直。重力加速度为
g
。求:
(1)
装置从释放到开始返回的过程中,线框中产生的焦耳热Q;
(2)
线框第一次穿越磁场区域所需的时间
t
1
;
(3)
经过足够长时间后,线框上边与磁场区域下边界的最大距离
x
m
。
【解答】设装置由静止释放到导体棒运动到磁场下边界的过程中,作用在线框的安培力
做功为W
由动能定理
mgsin
4dW
BILd0
且
QW
解得
Q4mgdsin
BILd
(1)
设线框刚离开磁场下边界时的速度为
v
1
,则接着向下运动
2d
<
br>由动能定理
mgsin
2d
BILd0
装
置在磁场中运动的合力
1
2
mv
1
2
Fmgsin
F'
感应电动势
Bdv
感应电流
I'
R
安培力
F'BI'd
由牛顿第二定律,在
t
到
tt
时间内
,有
v
F
t
m
B
2
d
2
v
)t
则
v
=
(gsin
mR
2B
2
d
3
有
v
1
gt
1
sin
<
br>
mR
2B
2
d
3
2m(BILd2m
gdsin
)
R
mgsin
解得
t
1
(2)
经过足够长时间后,线框在磁场下边界与最大距离
x
m
之间往复运动,
由动
能定理
mgsin
x
m
BIL(x
m
d)
0
解得
x
m
BILd
。
BILdmgsin
解:(本人研究的另外解法:用“牛顿第四定律”解)
第(1)问,同原解答
第(2)问:设线框刚离开磁场下边界时的速度为
v
1
,则接着向下运动
2d
,速度变为0,
根据动能定理
mgsin
2dBILd0
1
2
mv
1
,所以v
1
2
2BILd
4gdsin
m
注意:导体棒在磁场中运动的位移是
d
,而不是
2d
,且因为
是恒流,所以安培力是恒
力。
B
2
d
2
v
是与速
因为线框在磁场中的运动时受到的合力
Fmgsin
F
安
,而
F
安
R
度
v
成正比的力,所以把线框在磁场中的
运动分解为在重力的分力作用下的速度随时间均匀
变化的匀变速直线运动和在安培力作用下的速度随位移
均匀变化的匀变速直线运动两种运
动,前者速度的变化与时间成正比,后者速度的变化与位移成正比,有
B
2
d
2
gsin
t
1
2dv
1
mR
注意:因为线框下边进磁场和上边出磁场,掠过的距离共
2d
。
2B
2
d
3
2B
2
d
3
2
v<
br>1
2mBILd4mgdsin
mR
R 所以
t
1
=
gsin
mgsin
第(3)问,同原解答,不重复。
电磁感应中的“微元法”和“牛顿第四定律”
江苏省特级教师
江苏省丰县中学 戴儒京
所谓:“微元法”
所谓“微元法”,又叫“微小变量法”,是解物理题的一种方法。
1.什么情况下用微元法解
题?在变力作用下做变变速运动(非匀变速运动)时,可考虑
用微元法解题。
2. 关于微元
法。在时间
t
很短或位移
x
很小时,非匀变速运动可以看作匀变速运动,
运动图象中的梯形可以看作矩形,所以
vtx
,
lvtlx
s
。微元法体现了微分思
想。
3. 关于求和
。许多小的梯形加
起来为大的梯形,即(注意:前面的
s
sS
,
为小写,后面
的
S
为大写),并且
速度
v
0
0
时,有
vvv
0
,当末速度
v0
时,有
v
v
0
,或初
vv
,这个求和的方法体现了积分思想。
4. 无论物理规律用牛顿定律,还是动量定理或动能定理,都可以用微元法.
如果既可以
用动量定理也可以用动能定理解。对于使用老教科书的地区,这两种解法用
哪一种都行,但对于使用课程
标准教科书的地区就不同了,因为课程标准教科书把动量的内
容移到了选修3-5,如果不选修3-5,
则不能用动量定理解,只能用动能定理解。
微元法解题,体现了微分和积分的思想,考查学生学习的潜能和独创能力。
电磁感应中的微元法
一些以“电磁感应”为题材的题目。可以用微元法解,因为在电磁感应中
,如导体切割
磁感线运动,产生感应电动势为
EBLv
,感应电流为
I<
br>BLv
,受安培力为
R
B
2
L
2
FBIL
v
,因为是变力问题,所以可以用微元法.
R
1.只受安培力的情况
例1. 如图所示,宽度为L的光滑金属导轨一端封闭,电阻不计,足够长,水平部分有
竖直向
上、磁感应强度为B的匀强磁场中。质量为m、电阻为r的导体棒从高度为h的斜轨
上从静止开始滑下,
由于在磁场中受安培力的作用,在水平导轨上滑行的距离为S而停下。
(3)
求导体棒刚滑到水平面时的速度
v
0
;
(4) 写出导体棒在水平导轨上滑
行的速度
v
与在水平导轨上滑行的距离
x
的函数关
系,并画出
vx
关系草图。
(3)求出导体棒在水平导轨上滑行的距离分别为S4、S2时的速度<
br>v
1
、
v
2
;
解:(1)根据机械能守恒定律,有
mgh
1
2
mv
0
,得
v
0
2gh
。 ①
2
B
2
L
2
v
,(2)设导体棒在水平导轨上滑行的速度为
v
时,受到的安培力为
fBI
L
R
安培力的方向与速度
v
方向相反。
用微元法,安培力是变
力,设在一段很短的时间
t
内,速度变化很小,可以认为没有变化,
f
B<
br>2
L
2
v
,很短的时间所以安培力可以看做恒力,根据牛
顿第二定律,加速度为
a
m
mR
B
2
L
2
t
内速度的变化为
vat
vt
,而
vtx<
br>,那么在时间
t
内速度的变化为
mR
B
2
L
2
V
()vt
,因为
mR
B
2
L
2
x
②
vv
0
V
v0
mR
B
2
L
2
)x
x
,所以
V(
mR
,速度
2.既受安培力又受重力的情况
例2. 2010年南京市高考模拟题
如图所示,竖直平面内有一边长为L、质量为m、电阻
为R的正方形线框在竖直向下的匀强
重力场和水平方向的磁场组成的复合场中以初速度
v
0
水平抛出,磁场方向与线框平面垂直,
磁场的磁感应强度随竖直向下的z轴按
B
B
0
kz
得规律均匀增大,已知重力加速度为
g
,
求:
(4) 线框竖直方向速度为
v
1
时,线框中瞬时电流的大小;
(5) 线框在复合场中运动的最大电功率;
(6) 若线框从开始抛出到瞬时速度大小到达
v
2
所经历的时间为
t
,那么,线框在时间
t
内<
br>的总位移大小为多少?
解:(1)因在竖直方向两边的磁感应强度大小不同,所以产生感应电流为
e
(B<
br>2
B
1
)Lv
1
kL
2
i
RRR
(2)当安培力等于重力时竖直速度最大,功率也就最大
(B
2
B
1
)
2
L
2
v
m
k
2
L
4
v
m
mg(B
2
B
1
)IL
RR
所以
v
m
mgR
24
kL
m
2
g
2
R
P
m
mgv
m
24
kL
(3)线框受
重力和安培力两个力,其中重力
mg
为恒力,安培力
(B
2
B1
)
2
L
2
v
z
k
2
L4
v
z
为变力,我们把线框的运动分解为在重力作用下的运
f
RR
动和在安培力作用下的运动。在重力作用下,在时间t 内增加的速度为
(v
)
1
gt
,求
在安培力作用下在时间t内增加的速度为
(v)<
br>2
用微元法,设在微小时间
t
内,变力可以看做恒力,变加速运动
可以看做匀加速运动,加
k
2
L
4
v
z
k
2
L
4
v
z
t
,而
v
z
t
z
,所以速度为
a
,则在
t
内速度的增加为
v
mRmR
在时间t内由于安培力的作用而增加的速度(因为增加量为负,所
以实际是减小)为
k
2
L
4
(v)
2
mR
k
2
L
4
z
,所以
(v)<
br>2
mR
z
k
2
L
4
z
。 再根据运动的合成,时间t内总的增加的
速度为
(v)
1
(v)
2
=
gt
mRk
2
L
4
22
v
0
z
=
v
2
从宏观看速度的增加为
vv
,所以
gt
,得线框在
时间
t
内的总
mR
2
2
2
0
位移大小为<
br>z
22
mR(gtv
2
v
0
)
kL<
br>24
。
从例题可以看出,所谓微元法是数学上的微积分理念在解物理题中的应用.
3.重力和安培力不在一条直线上的情况
例3.2008年高考江苏省物理卷第15题 如图所示,间距为L的两条足够长的平行金属导轨与水平面的夹角为θ,导轨光滑且电阻
忽略不计.
场强为B的条形匀强磁场方向与导轨平面垂直,磁场区域的宽度为d
1
,间距为d
2<
br>.两
根质量均为m、有效电阻均为R的导体棒a和b放在导轨上,并与导轨垂直.(设重力加速度
为g)
⑴若a进入第2个磁场区域时,b以与a同样的速度进入第1个磁场区域,求b穿过第
1个磁
场区域过程中增加的动能△E
k
;
⑵若a进入第2个磁场区域时,b
恰好离开第1个磁场区域;此后a离开第2个磁场区域时,
b 又恰好进入第2个磁场区
域.且a.b在任意一个磁场区域或无磁场区域的运动时间
均相等.求b穿过第2个磁场区域过程中,两
导体棒产生的总焦耳热Q;
⑶对于第⑵问所述的运动情况,求a穿出第k个磁场区域时的速率v.
磁场区域1
B
棒
b
磁场区域2
B
棒
a
d
1
磁场区域3
B
d
2
d
1
磁场区域4
B
d
2
d
1
磁场区域5
B
d
2
d
1
d
2
Θ d1
解:
⑴因为a和b产生的感应电动势大小相等,按回路方向相反,所以感应电流为0,所以a
和b均不受安培
力作用,由机械能守恒得
E
k
mgd
1
sin
①
⑵设导体棒刚进入无磁场区时的速度为
v
1
,刚离开无磁场区时的速度为
v<
br>2
,即导体棒刚
进入磁场区时的速度为
v
2
,刚离开磁场区时
的速度为
v
1
,由能量守恒得:
11
2
mv
1<
br>2
Qmv
2
mgd
1
sin
②
22
11
22
在无磁场区域:
mv
2
mv
1
mgd
2
sin
③
22
在磁场区域有:
解得:
Qmg(d
1
d
2
)sin
⑶用微元法
设导体棒在无磁场区域和有磁场区域的运动时间都为
t
, 在无磁场区域有:
v
2
v
1
gtsin
④
且平均速度:
v
1
v
2
d
2
⑤
2t
在有磁场区域,对a棒:
Fmgsin
BIl
且:
I
Bl
v
2R
B
2
l
2
v
解得:
Fmgsin
⑥
2R
因为速度
v
是变量,用微元法
根据牛顿第二定律, 在一段很短的时间
t
内
v
F
t
m
B
2
l2
v
则有
v
<
br>gsin
t
2mR
因为导体棒刚进入磁场区时的速度为
v
2
,刚离开磁场区时的速度为
v
1
, 所以
vv
1
v
2
,
vtd
,
tt
1
B
2
l
2
d
1
⑦
所以:
v
1
v
2
gtsin
2m
R
4mgRd
2
B
2
l
2
d
1
联
立④⑤⑦式,得
v
1
sin
22
8mR
Bld
1
(原答案此处一笔带过,实际上这一步很麻烦,以下笔者给出
详细过程:
B
2
l
2
d
1
④代入⑦得:
t
, ⑧
4mgRsin
⑧代入⑤得:
v1
v
2
8mgd
2
Rsin
⑨
22
Bld
1
4mgRd
2
B
2
l<
br>2
d
1
⑦+⑨得:
v
1
。)
s
in
22
8mR
Bld
1
a.b在任意一个磁
场区域或无磁场区域的运动时间均相等,
所以a穿出任一个磁场区域
时的速率v就等于
v
1
.所以
4mgRd
2
B
2
l
2
d
1
。
v
22
sin
8mR
Bld
1(注意:由于a.b在任意一个磁场区域或无磁场区域的运动时间均相等,所以a穿出任一
个磁场区
域时的速率v都相等,所以所谓“第K个磁场区”,对本题解题没有特别意义。)
练习题
练习题1. 2007年高考江苏省物理卷第18题
如图所示,空间等间距分布着水
平方向的条形匀强磁场,竖直方向磁场区域足够长,磁感应
强度B=1T,每一条形磁场区域的宽度及相
邻条形磁场区域的间距均为d=0.5m,现有一
边长l=0.2m、质量m=0.1kg、电阻R=0
.1Ω的正方形
线框MNOP以v
0
=7ms的初速从左侧磁场边缘水平
进入
磁场,求
(1)线框MN边刚进入磁场时受到安培力的大
小F。
(2)线框从开始进入磁场到竖直下落的过程中产生的焦耳热Q。
(3)线框能穿过的完整条形磁场区域的个数n。
解:(1)线框MN边刚进入磁场时,感应电动势
EBlv
0
1.4V
,感应电流
I
E
14A
,受到安培力的大小
F=
BIl2.8N
R
1
2
(2)水平方向速度为0,
Qmv
0
2.45J
2
(3)用“微元法”解
线框在进入和穿出条形磁场时的任一时刻,感应电动势
EBlv
0
,感应电流
I
E
,
R
B
2
l
2
v
受到安培力的大小
F=
BIl
,得
F
,
R
在
tt
时间内,由牛顿定律:
F
tv
m
B
2
l
2
B
2
l
2
)
vt
v
,
xv
0
求和,
(
mRmR
解得
x
mv
0
R
1.75
4.375
,取整
1.75m
,线框能穿过的完整条形
磁场区域的个数n=
22
0.4
Bl
数为4。
练习题2.2009年高考江苏省物理卷第15题
如图所示,两平行的光滑金属导轨安装在一
光滑绝缘斜面上,导轨间距为L、足够长且
电阻忽略不计,导轨平面的倾角为
。条形
匀强磁场的宽度为
d
,磁感应强度大小为B、
方向与导轨平面垂直。长度为
2
d
的绝缘杆将导体棒和正方形的单匝线框连接在一起组成
“”型装置。总质量为
m,置于导轨上。导体棒中通以大小恒为I的电流(由外接恒流
源产生,图中未画出)。线框的边长为
d
(
dL
),电阻为R,下边与磁场区域上边界重合。
将装置由静
止释放,导体棒恰好运动到磁场区域下边界处返回。导体棒在整个运动过程中始
终与导轨垂直。重力加速
度为
g
。求:
(4) 装置从释放到开始返回的过程中,线框中产生的焦耳热Q;
(5) 线框第一次穿越磁场区域所需的时间
t
1
;
(6)
经过足够长时间后,线框上边与磁场区域下边界的最大距离
x
m
。
【解答】设装置由静止释放到导体棒运动到磁场下边界的过程中,作用在线框的安培力
做功为W
由动能定理
mgsin
4dW
BILd0
且
QW
解得
Q4mgdsin
BILd
(3)
设线框刚离开磁场下边界时的速度为
v
1
,则接着向下运动
2d
<
br>由动能定理
mgsin
2d
BILd0
装
置在磁场中运动的合力
1
2
mv
1
2
Fmgsin
F'
感应电动势
Bdv
感应电流
I'
R
安培力
F'BI'd
由牛顿第二定律,在
t
到
tt
时间内,有
v
F
t
m
B
2
d
2
v
)t
则
v
=
(gsin
mR
2B
2
d
3
有
v
1
gt
1
sin
<
br>
mR
2B
2
d
3
2m(BILd2m
gdsin
)
R
mgsin
解得
t
1
(4)
经过足够长时间后,线框在磁场下边界与最大距离
x
m
之间往复运动,
由动
能定理
mgsin
x
m
BIL(x
m
d)
0
解得
x
m
BILd
。
BILdmgsin
解:(本人研究的另外解法:用“牛顿第四定律”解)
第(1)问,同原解答
第(2)问:设线框刚离开磁场下边界时的速度为
v
1
,则接着向下运动
2d
,速度变为0,
根据动能定理
mgsin
2dBILd0
1
2
mv
1
,所以v
1
2
2BILd
4gdsin
m
注意:导体棒在磁场中运动的位移是
d
,而不是
2d
,且因为
是恒流,所以安培力是恒
力。
B
2
d
2
v
是与速
因为线框在磁场中的运动时受到的合力
Fmgsin
F
安
,而
F
安
R
度
v
成正比的力,所以把线框在磁场中的
运动分解为在重力的分力作用下的速度随时间均匀
变化的匀变速直线运动和在安培力作用下的速度随位移
均匀变化的匀变速直线运动两种运
动,前者速度的变化与时间成正比,后者速度的变化与位移成正比,有
B
2
d
2
gsin
t
1
2dv
1
mR
注意:因为线框下边进磁场和上边出磁场,掠过的距离共
2d
。
2B
2
d
3
2B
2
d
3
2
v<
br>1
2mBILd4mgdsin
mR
R 所以
t
1
=
gsin
mgsin
第(3)问,同原解答,不重复。