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1、-导体棒切割磁感线问题分类解析杨中甫 电磁感应中，“导体棒”切割磁感线问题是高考常见命题。解此类型问题的一般思路是：先解决电学问题，再解决力学问题，即先由法拉第电磁感应定律求感应电动势，然后根据欧姆定律求感应电流，求出安培力，再往后就是按力学问题的处理方法，如进行受力情况分析、运动情况分析及功能关系分析等。 导体棒切割磁感线的运动一般有以下几种情况：匀速运动、在恒力作用下的运动、恒功率运动等，现分别举例分析。一、导体棒匀速运动 导体棒匀速切割磁感线处于平衡状态，安培力和外力等大、反向，给出速度可以求外力的大小，或者给出外力求出速度，也可以求出功、功率、电流强度等，外力的功率和电功率相等。 例1
2、. 如图1所示，在一磁感应强度B0.5T的匀强磁场中，垂直于磁场方向水平放置着两根相距为h0.1m的平行金属导轨MN和PQ，导轨电阻忽略不计，在两根导轨的端点N、Q之间连接一阻值R0.3的电阻。导轨上跨放着一根长为L0.2m，每米长电阻r2.0/m的金属棒ab，金属棒与导轨正交放置，交点为c、d，当金属棒在水平拉力作用于以速度v4.0m/s向左做匀速运动时，试求：图1 （1）电阻R中的电流强度大小和方向； （2）使金属棒做匀速运动的拉力； （3）金属棒ab两端点间的电势差； （4）回路中的发热功率。 解析：金属棒向左匀速运动时，等效电路如图2所示。在闭合回路中，金属棒cd部分相当于电源，内阻r
3、cdhr，电动势EcdBhv。图2 （1）根据欧姆定律，R中的电流强度为0.4A，方向从N经R到Q。 （2）使金属棒匀速运动的外力与安培力是一对平衡力，方向向左，大小为FF安BIh0.02N。 （3）金属棒ab两端的电势差等于Uac、Ucd与Udb三者之和，由于UcdEcdIrcd，所以UabEabIrcdBLvIrcd0.32V。 （4）回路中的热功率P热I2（Rhr）0.08W。 点评：不要把ab两端的电势差与ab棒产生的感应电动势这两个概念混为一谈。 金属棒匀速运动时，拉力和安培力平衡，拉力做正功，安培力做负功，能量守恒，外力的机械功率和回路中的热功率相等，即。二、导体棒在恒力作用下由静
4、止开始运动 导体棒在恒定外力的作用下由静止开始运动，速度增大，感应电动势不断增大，安培力、加速度均与速度有关，当安培力等于恒力时加速度等于零，导体棒最终匀速运动。整个过程加速度是变量，不能应用运动学公式。 例2. 如图3所示，两根足够长的直金属导轨MN、PQ平行放置在倾角为的绝缘斜面上，两导轨间距为L。M、P两点间接有阻值为R的电阻。一根质量为m的均匀直金属杆ab放在两导轨上，并与导轨垂直，整套装置处于磁感应强度为B的匀强磁场中，磁场方向垂直斜面向下。导轨和金属杆的电阻可忽略。让ab杆沿导轨由静止开始下滑，导轨和金属杆接触良好，不计它们之间的摩擦。图3 （1）由b向a方向看到的装置如图4所示，
5、请在此图中画出ab杆下滑过程中某时刻的受力示意图；图4 （2）在加速下滑过程中，当ab杆的速度大小为v时，求此时ab杆中的电流及其加速度的大小； （3）求在下滑过程中，ab杆可以达到的速度最大值。 解析：（1）重力mg，竖直向下，支持力N，垂直斜面向上，安培力F，沿斜面向上，如图5所示。图5 （2）当ab杆速度为v时，感应电动势EBLv，此时电路中电流。 ab杆受到安培力FBIL。 根据牛顿运动定律，有mgsinFma，即mgsin。 所以agsin。 （3）当a0，即mgsin时，ab杆达到最大速度vm。 所以。 点评：分析ab杆受到的合外力，可以分析加速度的变化，加速度随速度的变化而变化，
6、当加速度等于零时，金属ab杆做匀速运动，速度达到最大值。 当杆匀速运动时，金属杆的重力势能全部转化为回路中的电能，在求最大速度vm时，也可以用能量转换法，即解得：。三、导体棒在恒定功率下由静止开始运动 因为功率PFv，P恒定，那么外力F就随v而变化。要注意分析外力、安培力和加速度的变化，当加速度为零时，速度达到最大值，安培力与外力平衡。 例3. 如图6所示，水平平行放置的导轨上连有电阻R，并处于垂直轨道平面的匀强磁场中。今从静止起用力拉金属棒ab（ab与导轨垂直），若拉力恒定，经时间t1后ab的速度为v，加速度为a1，最终速度可达2v；若拉力的功率恒定，经时间t2后ab的速度也为v，加速度为a
7、2，最终速度可达2v。求a1和a2满足的关系。图6 解析：在恒力F作用下由静止开始运动，当金属棒的速度为v时金属棒产生感应电动势EBLv，回路中的电流，所以金属棒受的安培力。 由牛顿第二定律得 当金属棒达到最终速度为2v时，匀速运动，则。 所以恒为 由以上几式可求出 设外力的恒定功率为P，在t2时刻速度为v，加速度为a2，由牛顿第二定律得 。 最终速度为2v时为匀速运动，则有 所以恒定功率。由以上几式可求出。 点评：由最大速度可以求出所加的恒力F，由最大速度也可求出恒定的功率P。本题是典型的运用力学观点分析解答的电磁感应问题。注重进行力的分析、运动状态分析以及能的转化分析等。涉及的知识点多，综合性强，适当训练将有利于培养综合分析问题的能力。在求功率时，也可以根据能量守恒：速度为2v时匀速运动，外力的功率等于电功率，。-第 4 页-