高中物理模型讲解：电磁场中的单杆模型

在电磁场中，“导体棒”主要是以“棒生电”或“电动棒”的内容出现，从组合情况看有棒与电阻、棒与电容、棒与电感、棒与弹簧等；从导体棒所在的导轨有“平面导轨”、“斜面导轨”“竖直导轨”等。

一、单杆在磁场中匀速运动

例1、如图1所示，，电压表与电流表的量程分别为0～10V和0～3A，电表均为理想电表。导体棒ab与导轨电阻均不计，且导轨光滑，导轨平面水平，ab棒处于匀强磁场中。

图1

（1）当变阻器R接入电路的阻值调到30，且用＝40N的水平拉力向右拉ab棒并使之达到稳定速度时，两表中恰好有一表满偏，而另一表又能安全使用，则此时ab棒的速度是多少？

（2）当变阻器R接入电路的阻值调到，且仍使ab棒的速度达到稳定时，两表中恰有一表满偏，而另一表能安全使用，则此时作用于ab棒的水平向右的拉力F₂是多大？

解析：（1）假设电流表指针满偏，即I＝3A，那么此时电压表的示数为U＝＝15V，电压表示数超过了量程，不能正常使用，不合题意。因此，应该是电压表正好达到满偏。

当电压表满偏时，即U₁＝10V，此时电流表示数为

设a、b棒稳定时的速度为，产生的感应电动势为E₁，则E₁＝BLv₁，且E₁＝I₁(R₁＋R_并)＝20V

a、b棒受到的安培力为

F₁＝BIL＝40N

解得

（2）利用假设法可以判断，此时电流表恰好满偏，即I₂＝3A，此时电压表的示数为＝6V可以安全使用，符合题意。

由F＝BIL可知，稳定时棒受到的拉力与棒中的电流成正比，所以

。

二、单杠在磁场中匀变速运动

例2、如图2甲所示，一个足够长的“U”形金属导轨NMPQ固定在水平面内，MN、PQ两导轨间的宽为L＝0.50m。一根质量为m＝0.50kg的均匀金属导体棒ab静止在导轨上且接触良好，abMP恰好围成一个正方形。该轨道平面处在磁感应强度大小可以调节的竖直向上的匀强磁场中。ab棒的电阻为R＝0.10Ω，其他各部分电阻均不计。开始时，磁感应强度。

图2

（1）若保持磁感应强度的大小不变，从t＝0时刻开始，给ab棒施加一个水平向右的拉力，使它做匀加速直线运动。此拉力F的大小随时间t变化关系如图2乙所示。求匀加速运动的加速度及ab棒与导轨间的滑动摩擦力。

（2）若从t＝0开始，使磁感应强度的大小从B₀开始使其以＝0.20T/s的变化率均匀增加。求经过多长时间ab棒开始滑动？此时通过ab棒的电流大小和方向如何？（ab棒与导轨间的最大静摩擦力和滑动摩擦力相等）

解析：（1）当t＝0时，

当t＝2s时，F₂＝8N

联立以上式得：

（2）当时，为导体棒刚滑动的临界条件，则有：

则

三、单杆在磁场中变速运动

例3、如图3所示，处于匀强磁场中的两根足够长、电阻不计的平行金属导轨相距1m，导轨平面与水平面成＝37°角，下端连接阻值为R的电阻。匀速磁场方向与导轨平面垂直。质量为0.2kg、电阻不计的金属棒放在两导轨上，棒与导轨垂直并保持良好接触，它们之间的动摩擦因数为0.25。

图3

（1）求金属棒沿导轨由静止开始下滑时的加速度大小；

（2）当金属棒下滑速度达到稳定时，电阻R消耗的功率为8W，求该速度的大小；

（3）在上问中，若R＝，金属棒中的电流方向由a到b，求磁感应强度的大小与方向。（g＝10m/s²，°＝0.6，cos37°＝0.8）

解析：（1）金属棒开始下滑的初速为零，根据牛顿第二定律

①

由①式解得 ②

（2）设金属棒运动达到稳定时，速度为v，所受安培力为F，棒在沿导轨方向受力平衡：

③

此时金属棒克服安培力做功的功率等于电路中电阻R消耗的电功率

④

由③、④两式解得：

⑤

（3）设电路中电流为I，两导轨间金属棒的长为l，磁场的磁感应强度为B

⑥

⑦

由⑥、⑦两式解得 ⑧

磁场方向垂直导轨平面向上。

四、变杆问题

例4、如图4所示，边长为L＝2m的正方形导线框ABCD和一金属棒MN由粗细相同的同种材料制成，每米长电阻为R₀＝1/m，以导线框两条对角线交点O为圆心，半径r＝0.5m的匀强磁场区域的磁感应强度为B＝0.5T，方向垂直纸面向里且垂直于导线框所在平面，金属棒MN与导线框接触良好且与对角线AC平行放置于导线框上。若棒以v＝4m/s的速度沿垂直于AC方向向右匀速运动，当运动至AC位置时，求（计算结果保留二位有效数字）：

图4

（1）棒MN上通过的电流强度大小和方向；

（2）棒MN所受安培力的大小和方向。

解析：（1）棒MN运动至AC位置时，棒上感应电动势为

线路总电阻。

MN棒上的电流

将数值代入上述式子可得：

I＝0.41A，电流方向：N→M

（2）棒MN所受的安培力：

方向垂直AC向左。

说明：要特别注意公式E＝BLv中的L为切割磁感线的有效长度，即在磁场中与速度方向垂直的导线长度。

模型要点

（1）力电角度：与“导体单棒”组成的闭合回路中的磁通量发生变化→导体棒产生感应电动势→感应电流→导体棒受安培力→合外力变化→加速度变化→速度变化→感应电动势变化→……，循环结束时加速度等于零，导体棒达到稳定运动状态。

（2）电学角度：判断产生电磁感应现象的那一部分导体（电源）→利用或求感应电动势的大小→利用右手定则或楞次定律判断电流方向→分析电路结构→画等效电路图。

（3）力能角度：电磁感应现象中，当外力克服安培力做功时，就有其他形式的能转化为电能；当安培力做正功时，就有电能转化为其他形式的能。

误区点拨

正确应答导体棒相关量（速度、加速度、功率等）最大、最小等极值问题的关键是从力电角度分析导体单棒运动过程；而对于处理空间距离时很多同学总想到动能定律，但对于导体单棒问题我们还可以更多的考虑动量定理。所以解答导体单棒问题一般是抓住力是改变物体运动状态的原因，通过分析受力，结合运动过程，知道加速度和速度的关系，结合动量定理、能量守恒就能解决。

模型演练

1.如图5所示，足够长金属导轨MN和PQ与R相连，平行地放在水平桌面上。质量为m的金属杆ab可以无摩擦地沿导轨运动。导轨与ab杆的电阻不计，导轨宽度为L，磁感应强度为B的匀强磁场垂直穿过整个导轨平面。现给金属杆ab一个瞬时冲量I₀，使ab杆向右滑行。

图5

（1）回路最大电流是多少？

（2）当滑行过程中电阻上产生的热量为Q时，杆ab的加速度多大？

（3）杆ab从开始运动到停下共滑行了多少距离？

答案：（1）由动量定理得

由题可知金属杆作减速运动，刚开始有最大速度时有最大，所以回路最大电流：

（2）设此时杆的速度为v，由动能定理有：

而Q＝

解之 

由牛顿第二定律及闭合电路欧姆定律

得

（3）对全过程应用动量定理有：

而所以有

又

其中x为杆滑行的距离所以有。

2.如图6所示，光滑平行的水平金属导轨MNPQ相距l，在M点和P点间接一个阻值为R的电阻，在两导轨间矩形区域内有垂直导轨平面竖直向下、宽为d的匀强磁场，磁感强度为B。一质量为m，电阻为r的导体棒ab，垂直搁在导轨上，与磁场左边界相距d₀。现用一大小为F、水平向右的恒力拉ab棒，使它由静止开始运动，棒ab在离开磁场前已经做匀速直线运动（棒ab与导轨始终保持良好的接触，导轨电阻不计）。求：

图6

（1）棒ab在离开磁场右边界时的速度；

（2）棒ab通过磁场区的过程中整个回路所消耗的电能；

（3）试分析讨论ab棒在磁场中可能的运动情况。

解析：（1）ab棒离开磁场右边界前做匀速运动，速度为v_m，则有：

对ab棒＝0，解得

（2）由能量守恒可得：

解得：

（3）设棒刚进入磁场时速度为v由：

棒在进入磁场前做匀加速直线运动，在磁场中运动可分三种情况讨论：

①若（或），则棒做匀速直线运动；

②若（或），则棒先加速后匀速；

③若（或），则棒先减速后匀速。

▍ 来源：综合网络