08年高考物理輔導(dǎo)：解決電磁感應(yīng)中切割問(wèn)題

　　天津市第四十二中學(xué) 祖曉寧

　　(II)以下電路中均為雙桿切割，電路中本身沒有電源

　　1.雙桿切割磁感線，不受其他外力作用，初速度不為零，導(dǎo)軌始終同寬。

　　思路：因?yàn)榘才嗔�總是阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)，一根桿做減速運(yùn)動(dòng)，另一根桿做加速運(yùn)動(dòng)。只要兩根桿速度不一樣，兩桿各自產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就不相同，回路中一定會(huì)有感應(yīng)電流，產(chǎn)生安培力，從而有加速度，使一桿速度繼續(xù)減小而另一桿速度繼續(xù)增大。直到兩桿速度相同，兩桿各自產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相同，回路中不再有感應(yīng)電流，安培力為零，沒有加速度，速度不再改變，兩桿將保持這樣的速度勻速運(yùn)動(dòng)下去。在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，兩桿各自受到的安培力方向相反、大小相等，即雙桿所受安培力的合力為零，符合動(dòng)量守恒的條件。在這個(gè)過(guò)程中安培力總是阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使兩桿的速度趨于一致，回路電流減小，亦即為負(fù)反饋的原理，解決的關(guān)鍵在于最終回路電流為零。

　　例4、如圖，兩根間距為L(zhǎng)光滑金屬導(dǎo)軌(不計(jì)電阻)，由一段圓弧部分和一段無(wú)限長(zhǎng)的水平段部分組成。其水平段加有豎直向下方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，導(dǎo)軌水平段上靜止放置一金屬棒cd，質(zhì)量2m,電阻2r；另一個(gè)質(zhì)量為m電阻為r的金屬棒ab，從圓弧段M處由靜止釋放下滑至N處進(jìn)入水平段，圓弧段MN半徑為R，所對(duì)應(yīng)的圓心角為60o，求：

　　(1)ab棒在進(jìn)入磁場(chǎng)區(qū)的速度是多大？此時(shí)棒中電流是多少？

　　(2)cd棒能達(dá)到的最大速度是多大？

　　(3)cd棒達(dá)到最大速度的過(guò)程中，cd棒所產(chǎn)生的電熱是多少？

　　解析：(1)ab棒由靜止從M滑下到N的過(guò)程中，只有重力做功，機(jī)械能守恒，所以到N處速度可求，進(jìn)而可求ab棒切割磁感線時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和回路中的感應(yīng)電流ab棒由M下滑到N的過(guò)程中，機(jī)械能守恒：

　　mgR(1-cos60°)=-mv2①

　　解得v=-

　　進(jìn)入磁場(chǎng)區(qū)的瞬間，回路電流強(qiáng)度為：I=-=-②

　　(2)設(shè)ab棒與cd棒所受安培力的大小為F,安培力作用時(shí)間為t,ab棒在安培力作用下做減速運(yùn)動(dòng)，cd棒在安培力作用下做加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)兩棒速度達(dá)到相同v'時(shí)，電路中的電流為零，安培力為零，cd棒達(dá)到了最大速度，運(yùn)用動(dòng)量守恒，得：mv=(2m+m)v'③，解得v'=--

　　(3)系統(tǒng)釋放熱量等于系統(tǒng)機(jī)械能減少量，故有：

　　Q總=-mv2--·3mv'2④

　　解得Q總=-mgR

　　因?yàn)閍b棒與cd棒為同一個(gè)串聯(lián)回路，所以電流強(qiáng)度總是相同的，

　　由Q=I2Rt，∴-=-⑤，即

　　Qcd=-Q總

　　Qcd=-mgR(完畢)

　　2.雙桿切割磁感線，不受其他外力作用，初速度不為零，導(dǎo)軌不同寬度。

　　思路：因?yàn)榘才嗔�總是阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)，一根桿做減速運(yùn)動(dòng)，另一根桿做加速運(yùn)動(dòng)。只要兩根桿各自產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不同E=BvL，回路中一定會(huì)有感應(yīng)電流，產(chǎn)生安培力，從而有加速度，使一桿速度繼續(xù)減小而另一桿速度繼續(xù)增大。直到兩桿各自產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相同，回路中不再有感應(yīng)電流，安培力為零，沒有加速度，速度不再改變。兩桿將保持這樣的速度勻速運(yùn)動(dòng)下去，此時(shí)需要的條件是兩桿電動(dòng)勢(shì)相同，E1=Bv1L1,E2=Bv2L2所以-=-。全程安培力總是阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使回路中的電流越來(lái)越小，趨于零，是負(fù)反饋的原理。

　　注意：在這類問(wèn)題中，盡管只受安培力不受其他外力，但是解題時(shí)不能使用動(dòng)量守恒定律，因?yàn)殡p桿所受的安培力方向相反但大小不同，即雙桿所受安培力的合力不為零，不符合動(dòng)量守恒的條件。解題時(shí)應(yīng)該使用：Bv1L1=Bv2L2①

　　與-②相結(jié)合解題。