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双杆切割的电磁感应问题

 新用户65120Joi 2023-01-04 发布于山西
如图(a)所示,间距均为1m的光滑平行倾斜导轨与光滑平行水平导轨平滑连接,水平导轨处在磁感应强度大小为2T、方向竖直向上的匀强磁场中。质量为1kg、电阻为1. 5Ω的金属棒a固定在离水平导轨高h处的倾斜导轨上,材料和长度均与金属棒a相同的金属棒b沿导轨向左运动。金属棒a由静止释放,下滑至水平导轨时开始计时,以a的运动方向为正方向,金属棒a、b的运动图像如图(b)所示。已知两金属棒与导轨始终垂直且接触良好,导轨电阻不计,金属棒a始终未与金属棒b发生碰撞,重力加速度g取10m/s2。根据图像中数据,求:
(1)金属棒b的质量和电阻;
(2)在整个运动过程中金属棒b产生的焦耳热;

(3)从开始计时到金属棒b向左减速至零的过程中,金属棒a与金属棒b之间距离的变化量。


电磁感应的双杆切割问题。但考点相对容易,属于等间距、有初速、同磁场的模型。

电磁感应中的单杆、双杆切割问题,本质上属于力学问题,但这个力学问题中的受力比较有意思,安培力与电流有关,但电流又与导体切割磁场的速度有关,导致这类问题分析时需要注意动态分析,切割速度影响安培力,安培力影响合力,合力反过来又影响速度。速度、加速度通过一连串的规律,导致相互影响。从相互影响这一点来看,这倒很电磁感应,不动、不变化,就不会有感应电流。

分析本题:
v—t图像的信息务必要看清楚,若这个图像信息看走眼了,整个题可以说就全部拉倒了。a从倾斜轨道滑到水平轨道上开始计时,计时零时刻速度方向水平向右,为正方向。b金属棒初速度方向根据图像水平向左。这是初始的运动信息。

受力情况是动态变化的,从v—t图像看,最终两物体速度相同,又由于导轨等间距、同一磁场,所以最终回路中就没有感应电流了。而且从v—t图像中可以看出,从计时零时刻到最后匀速运动,a、b的加速度一直减小,受力是变力。

分析安培力是关键。而安培力与两金属棒的切割速度都有关系。


由于导轨光滑,两金属棒所受外力之和为零,所以两金属棒组成的系统动量守恒。

根据动量守恒结合v-t图像,可以求解出b的质量。再根据题干中的信息:“材料和长度均与金属棒a相同的金属棒b”材料相同说明两导体棒的密度和电阻率都相同,根据质量可以求出体积比,根根体积比可以求出横截面积之比,这样b的质量和电阻就可求出。
根据电阻比结合能量转化就可求得a、b两金属棒产生的热量。

第(3)问求距离的变化量。这又是电磁感应中经典的时空转化问题,题干中告知金属棒b的速度变化情况,而这个速度变化的原因就是b所受的安培力作用,a也同样如此。

对单个金属棒应用动量定理来实现时空转化。

若对a应用动量定理,结论也一样。

双杆的切割的电磁感应问题,需要考虑的客观条件有:轨道的宽度、磁感应强度的大小及方向、导体棒的质量及电阻、两导体棒初始的受力及运动情况。

分析的思路首先是动态的受力和运动情况,物理规律通常需要考虑:牛顿运动定律、功能关系、动量、闭合电路欧姆定律、焦耳定律。计算电动势时特别需要注意两杆独自的电动势和回路总电动势的关系。基本规律熟悉了,问题也就简单了!

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