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1、第9點 電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的能量問題
產(chǎn)生和維持感應(yīng)電流的存在的過程就是其他形式的能量轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電流電能的過程.在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中,認真分析電磁感應(yīng)過程中的能量轉(zhuǎn)化,熟練地應(yīng)用能量守恒定律是求解較復(fù)雜的電磁感應(yīng)問題的常用方法.
1.過程分析
(1)電磁感應(yīng)現(xiàn)象中產(chǎn)生感應(yīng)電流的過程,實質(zhì)上是能量的轉(zhuǎn)化過程.
(2)電磁感應(yīng)過程中產(chǎn)生的感應(yīng)電流在磁場中必定受到安培力的作用,因此,要維持感應(yīng)電流的存在,必須有“外力”克服安培力做功.此過程中,其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能.“外力”克服安培力做了多少功,就有多少其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能.
(3)當感應(yīng)電流通過用電器時,電能又轉(zhuǎn)化為其他形式的能.安培力做
2、功的過程,是電能轉(zhuǎn)化為其他形式能的過程.安培力做了多少功,就有多少電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能.
2.解決此類問題的步驟
(1)用法拉第電磁感應(yīng)定律和楞次定律(包括右手定則)確定感應(yīng)電動勢的大小和方向.
(2)畫出等效電路圖,寫出回路中電阻消耗的電功率的表達式.
(3)分析導體機械能的變化,用能量守恒關(guān)系得到機械功率的改變與回路中電功率的改變所滿足的方程,聯(lián)立求解.
說明:在利用能量守恒定律解決電磁感應(yīng)中的能量問題時,參與轉(zhuǎn)化的能量的種類一定要考慮周全.哪些能量增加,哪些能量減少,要考慮準確,最后根據(jù)所滿足的規(guī)律列方程分析求解.
3.焦耳熱Q的兩種求解方法
Q的兩種求法
對點例題
3、1 (多選)如圖1所示,固定的豎直光滑U形金屬導軌,間距為L,上端接有阻值為R的電阻,處在方向水平且垂直于導軌平面、磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中,質(zhì)量為m、接入電路的電阻為r的導體棒與勁度系數(shù)為k的固定輕彈簧相連放在導軌上,導軌的電阻忽略不計.初始時刻,彈簧處于伸長狀態(tài),其伸長量為x1=,此時導體棒具有豎直向上的初速度v0.在沿導軌往復(fù)運動的過程中,導體棒始終與導軌垂直并保持良好接觸.則下列說法正確的是( )
圖1
A.初始時刻導體棒受到的安培力大小F=
B.初始時刻導體棒加速度的大小a=2g+
C.導體棒往復(fù)運動,最終靜止時彈簧處于壓縮狀態(tài)
D.導體棒開始運動直到最終靜止的過程
4、中,電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱Q=mv+
解題指導 由法拉第電磁感應(yīng)定律得:E=BLv0,由閉合電路的歐姆定律得:I=,由安培力公式得:F=,故A錯誤;初始時刻,F(xiàn)+mg+kx1=ma,得a=2g+,故B正確;因為導體棒靜止時不受安培力,只受重力和彈簧的彈力,故彈簧處于壓縮狀態(tài),故C正確;根據(jù)能量守恒定律,減小的動能和重力勢能全都轉(zhuǎn)化為焦耳熱,但R上的只是一部分,故D錯誤.
答案 BC
對點例題2 如圖2甲所示,足夠長的光滑平行導軌MN、PQ傾斜放置,兩導軌間距離為L=1.0m,導軌平面與水平面間的夾角為θ=30°,磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場垂直于導軌平面向上,導軌的M、P兩端連接阻值為R=3.
5、0Ω的電阻,金屬棒ab垂直于導軌放置并用平行于導軌的細線通過光滑定滑輪與重物相連,金屬棒ab的質(zhì)量m=0.20kg,電阻r=0.50Ω,重物的質(zhì)量M=0.60kg,如果將金屬棒和重物由靜止釋放,金屬棒沿斜面上滑的距離與時間的關(guān)系圖象如圖乙所示,不計導軌電阻,g取10m/s2.求:
圖2
(1)磁感應(yīng)強度B的大??;
(2)在0.6s內(nèi)通過電阻R的電荷量;
(3)在0.6s內(nèi)電阻R產(chǎn)生的熱量.
解題指導 (1)由圖乙得ab棒勻速運動的速度
v==3.5m/s
感應(yīng)電動勢E=BLv,感應(yīng)電流I=
棒所受安培力F=BIL=
棒ab勻速時,棒受力平衡,
+mgsinθ=Mg
解
6、得B=T.
(2)由圖乙得,在0.6s內(nèi)ab棒上滑的距離s=1.40m,通過電阻R的電荷量q=t=Δt=·Δt==C.
(3)設(shè)0.6s內(nèi)整個回路產(chǎn)生的熱量為Q,
由能量守恒定律得
Mgs=mgssinθ+Q+(M+m)v2,
解得:Q=2.1J
電阻R產(chǎn)生的熱量QR=Q=1.8J.
答案 (1)T (2)C (3)1.8J
1.(多選)如圖3所示,在傾角為θ的斜面上固定兩根足夠長的光滑平行金屬導軌PQ、MN,相距為L,導軌處于磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中,磁場方向垂直導軌平面向下.有兩根質(zhì)量均為m的金屬棒a、b,先將a棒垂直導軌放置,用跨過光滑輕質(zhì)定滑輪的細線與物塊c連接,
7、連接a棒的細線平行于導軌,由靜止釋放c,此后某時刻,將b也垂直導軌放置,a、c此刻起做勻速運動,b棒剛好能靜止在導軌上.a(chǎn)棒在運動過程中始終與導軌垂直,兩棒與導軌接觸良好,導軌電阻不計.則( )
圖3
A.物塊c的質(zhì)量是2msinθ
B.b棒放上導軌前,物塊c減少的重力勢能等于a、c增加的動能
C.b棒放上導軌后,物塊c減少的重力勢能等于回路消耗的電能
D.b棒放上導軌后,a棒中電流大小是
答案 AD
解析 b棒恰好靜止,受力平衡,有mgsinθ=F安,對a棒,安培力沿導軌平面向下,由平衡條件,mgsinθ+F安=mcg,由上面的兩式可得mc=2msinθ,選項A正確;根據(jù)
8、機械能守恒定律知,b棒放上導軌之前,物塊c減少的重力勢能應(yīng)等于a棒、物塊c增加的動能與a棒增加的重力勢能之和,選項B錯誤;根據(jù)能量守恒定律可知,b棒放上導軌后,物塊c減少的重力勢能應(yīng)等于回路消耗的電能與a棒增加的重力勢能之和,選項C錯誤;對b棒,設(shè)通過的電流為I,由平衡條件mgsinθ=F安=BIL,得I=,a棒中的電流也為I=,選項D正確.
2.如圖4所示,傾角為α=30°的光滑固定斜面,斜面上相隔為d=8m的平行虛線MN與PQ間有大小為B=0.1T的勻強磁場,方向垂直斜面向下,一質(zhì)量m=0.1kg、電阻R=0.2Ω、邊長L=1m的正方形單匝純電阻金屬線圈,線圈cd邊從距PQ上方x=2.5
9、m處由靜止釋放沿斜面下滑進入磁場,且ab邊剛要離開磁場時線圈恰好做勻速運動.重力加速度g取10m/s2.求:
圖4
(1)cd邊剛進入磁場時線圈的速度大小v1;
(2)線圈進入磁場的過程中,通過ab邊的電荷量q;
(3)線圈通過磁場的過程中,ab邊產(chǎn)生的焦耳熱Q.
答案 (1)5m/s (2)0.5C (3)0.1875J
解析 (1)線圈沿斜面向下運動,由動能定理得
mgxsinα=mv12-0
解得v1=5m/s.
(2)=
=
q=·Δt===C=0.5C.
(3)線圈離開磁場時
BL=mgsinα
解得v2=10m/s
由能量守恒定律得
Q總=mg(d+x+L)sinα-mv22
代入數(shù)據(jù)解得Q總=0.75J
則ab邊產(chǎn)生的焦耳熱Q=Q總=0.1875J.
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