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探究隨時間變化的勻強磁場中金屬桿的運動及安培力

更新時間:2024-06-21 文章作者:佚名 信息來源:網(wǎng)絡(luò)整理 閱讀次數(shù):

舉例:如圖:BZf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

感應(yīng)電動勢公式BZf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

水平桌面上固定兩平行金屬軌道,每條軌道每米的電阻為r?=0.10Ω/m,軌道端點P、Q用電阻可忽略的導(dǎo)線連接,兩軌道間距離l=0.20m。桌面上有隨時間變化的均勻磁場,垂直于桌面。已知磁感應(yīng)強度B與時間t的關(guān)系為B=kt,比例系數(shù)k=0.020T/s。一根阻力可忽略的金屬棒可以在軌道上無摩擦滑動,滑動過程中金屬棒始終垂直于軌道。在t=0時,金屬棒靠近P、Q端,在外力作用下,棒開始以恒定的加速度由靜止滑向軌道的另一端。求t=6.0s時金屬棒所受的安培力。BZf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

解:設(shè)a表示金屬棒的加速度,在t時刻,金屬棒與初始位置的距離為L=at2/2,此時棒的速度為v=at,此時棒與導(dǎo)軌所形成的環(huán)路面積為S=Ll,環(huán)路中感應(yīng)電動勢為BZf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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線圈總電阻為R=2Lr?,線圈感應(yīng)電流為I=E/R,作用在桿上的力為F=BIl,計算結(jié)果為F=3k2l2t/2r?,代入數(shù)據(jù)可得F=1.44×10?3N。BZf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

根據(jù)桿從靜止以恒定的加速度滑向?qū)к壍牧硪欢?,用運動學(xué)公式來表達金屬桿離開初始位置的距離和桿的速度。電路中的感生電動勢既有動電動勢,也有感生電動勢,而且是增強電動勢。利用電路中的感生電動勢來計算電流和安培力。BZf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

?在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中,有兩種基本模型:BZf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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磁場恒定的單桿切割型如圖(a)所示;面積不變,磁場發(fā)生變化,如圖(b)所示。本題中,當(dāng)金屬桿向右移動時,一方面桿切割磁場,另一方面磁場發(fā)生變化。因此,原圖可以轉(zhuǎn)化為圖(a)和圖(b)兩類模型的疊加??紤]到切割和增加磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢方向相同感應(yīng)電動勢公式,原電路的感應(yīng)電動勢可以寫成BZf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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摘要:當(dāng)感應(yīng)與運動共存時:先寫出磁通量Φ與時間t的函數(shù)關(guān)系,然后計算磁通量Φ關(guān)于時間t的倒數(shù)。BZf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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例:如圖所示,固定在水平面上的金屬框架CDEF處于垂直向下的均勻磁場中。當(dāng)一根金屬棒MN以速度v沿框架向右勻速移動時,磁感應(yīng)強度為B?。此時MN所處的位置使得MDEN形成一個邊長為l的正方形。為使MN棒中不產(chǎn)生感應(yīng)電流,從t=0開始,磁感應(yīng)強度B隨時間t應(yīng)如何變化?請推導(dǎo)該例中B與t的關(guān)系。BZf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

解法1(常規(guī)解):由于電路中無電流,任何時刻回路中磁通的變化率都為零,任何時刻回路中的磁通都等于初始時刻的磁通。BZf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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現(xiàn)在BZf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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可用的BZf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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點評:作為第二節(jié)題目,這個解法沒有涉及到電磁感應(yīng)的本質(zhì)感應(yīng)電動勢,而是用“不變的磁通量”來解題,從答題的角度來說,已經(jīng)解得非常巧妙了。BZf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

解答2(競爭擴展):本題涉及感應(yīng)與移動并存的現(xiàn)象,可這樣處理:BZf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

(1)列出微分方程。本題的本質(zhì)是感應(yīng)電動勢與動生電動勢共存。求解時感應(yīng)電動勢公式,可考慮通式E=dΦ/dt,其中Φ=BS。由于B和S都會變化,故考慮偏微分:BZf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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具體可以寫成:BZf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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(2)積分運算。上式涉及變量B和t,需要考慮變量分離。BZf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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兩邊的積分為:BZf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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(3)不定積分的常數(shù)處理BZf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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代入初始值 t = 0,B = B?,可得BZf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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例如:如圖所示,BZf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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一根金屬絲單位長度電阻為ρ,折成一個等腰直角三角形,直角邊長為a。在t=0時刻,從圖示位置出發(fā),以恒定速度v進入均勻磁場。磁場按B=B?-kt定律變化,式中k為大于零的常數(shù)。當(dāng)三角形水平直角邊進入一半時,求:BZf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

(1)導(dǎo)體中的運動電動勢;BZf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

(2)導(dǎo)體中感生電動勢;BZf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

(3)導(dǎo)線中的電流強度。BZf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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例如:如圖所示,BZf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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兩根間距為l的光滑平行金屬軌道位于同一水平面(紙面),軌道左端接有阻值為R的電阻;兩軌道上放置一根與軌道垂直的金屬棒;電阻、軌道與金屬棒之間有一塊面積為S的區(qū)域,該區(qū)域內(nèi)存在垂直于紙面、向內(nèi)的均勻磁場,磁感應(yīng)強度B?的大小與時間t的關(guān)系為B?=kt,式中k為常數(shù);金屬棒右側(cè)也有一塊均勻磁場區(qū)域,該區(qū)域的左邊界MN(虛線)垂直于軌道,磁場的磁感應(yīng)強度為B?,方向也垂直于紙面。 在某一時刻,金屬棒在外加水平恒力作用下由靜止開始向右運動,在時刻t?時剛好以速度v?越過MN,然后以勻速向右運動。金屬棒與軌道始終保持垂直且接觸良好,阻力均可忽略不計。求:BZf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

(1)在t = 0至t = t?的時間間隔內(nèi)流過電阻器的電荷的絕對值;BZf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

(2)時刻 t(t>t?)通過線圈的總磁通量與金屬桿所受的外部水平恒定力的大小BZf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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