電磁感應電容器模型是電磁學類題目較難的一類,高中物理考試考的較少,該模型的特點:回路中只有電容器,沒有電阻,磁場恒定;對大多數學生來說,電容器本身就是一個掌握不是很清楚的內容,這導致學生對電容器充電和放電過程的電流電荷量計算,更是無從下手。現在把電容器和電磁感應放在一起考,對絕大多數學生來說,難度就非常大了,劉叔物理本篇文章就詳細講解該模型的基本解題方法和思路。
例題:
1、平行水平長直導軌間的距離為L,左端接-一耐高壓的電容器C,輕質導體桿cd與導軌接觸良好, 如圖下圖所示,在水平力作用下以加速度a從靜止勻加速運動,勻強磁場方向豎直向下,不計摩擦與電阻,求:
(1)所加水平外力F與時間
(2)在t秒時間內有多少能量轉化為電能?
解析:(1)對于導體棒cd來說,由于做勻加速運動,則有Vt=at
由E=BLv,可知E=BLat
對于電容器,由C=Q/U,可得Q=CU=CBLat
對于閉合回路,由電流I=Q/t,可知I=CBLa
對于導體棒,由安培力F‘=BIL,可知F‘=B2L2Ca
最后由牛頓第二定律可得:F — F‘=ma
解得外力F=(m+B2L2C)a
所以,對于外力F來說,它是一個恒定的外力,不隨時間發生變化。
(2)對于導體棒cd來說,克服安培力做多少功,就有多少能量轉化為電場能,
則有:。
可解得,所以在t秒內轉化的電能是
從這道題可以看出,只要導體棒速度均勻變化(也就是加速度a恒定),則感應電動勢就均勻變化,電容器所帶的電荷量就均勻變化,回路中的電流就保持恒定(I=CBLa),導體棒所受的安培力就保持不變,所受的外力F就恒定不變(F=(m+B2L2C)a)。反過來,如果導體棒受到恒定外力F的作用,則導體棒一定做勻加速直線運動,加速度大小為a=F/(m+B2L2C);如果外力不恒定,則導體棒做非勻變速運動;如果不受外力作用,則導體棒勻速運動或靜止。
2、如下圖所示,電容為C 的電容器與豎直放置的金屬導軌EF、GH 相連,一起置于垂直紙面向里,磁感應強度為B 的勻強磁場中,金屬棒ab 因受約束被垂直固定于金屬導軌上,且金屬棒ab 的質量為m 、電阻為R ,金屬導軌的寬度為L ,現解除約束讓金屬棒ab 從靜止開始沿導軌下滑,不計金屬棒與金屬導軌間的摩擦,求金屬棒下落的加速度。
解析:根據上面的模型結論可知,因為導體棒ab所受的外力恒定不變為mg,所以ab棒做勻加速直線運動,加速度a=mg/(m+B2L2C)