由于b端为正极,a端为负极,所以电场强度的方向为b→a。 【错解原因】
错解一:根据右手定则,导体棒AB产生的感应电动势方向向下,导体棒CD产生的感应电动势方向向上。这个分析是对的,但是它们对整个导体回路来说作用是相同的,都使回路产生顺时针的电流,其作用是两个电动势和内阻都相同的电池串联,所以电路中总电动势不能相减,而是应该相加,等效电路图如图11-8所示。
错解二:虽然电容器a板与导体AB的A端是等势点,电容器b板与导体CD的C端是等电势点。但是a板与b板的电势差不等于一根导体棒切割磁感线产生的电动势。a板与b板的电势差应为R′两端的电压。
【分析解答】
导体AB、CD在外力的作用下做切割磁感线运动,使回路中产生感应电流。
电容器两端电压等于R′两端电压UC=UR′=IR′0.2×1=0.2(V)
回路电流流向D→C→R′→A→B→D。所以,电容器b极电势高于a极电势,故电场强度方向b→a。 【评析】
从得数上看,两种计算的结果相同,但是错解二的思路是错误的,错在电路分析上。避免错误的方法是在解题之前,画 出该物理过程的等效电路图,然后用电磁感应求感应电动势,用恒定电流知识求电流、电压和电场知识求场强,最终解决问题。
例8如图11-9所示,竖直平面内有足够长的金属导轨,轨距0.2m,金属导体ab可在导轨上无摩擦地上下滑动,ab的电阻为0.4Ω,导轨电阻不计,导轨ab的质量为0.2g,垂直纸面向里的匀强磁场的磁应强度为0.2T,且磁场区域足够大,当ab导体自由下落0.4s时,突然接通电键K,则:(1)试说出K接通后,ab导体的运动情况。(2)ab
2
导体匀速下落的速度是多少?(g取10m/s)
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【错误】
(1)K闭合后,ab受到竖直向下的重力和竖直向上的安培力作用。合力竖直向下,ab仍处于竖直向下的加速运动状态。随着向下速度的增大,安培力增大,ab受竖直向下的合力减小,直至减为0时,ab处于匀速竖直下落状态。
(2)略。 【错解原因】
上述对(l)的解法是受平常做题时总有安培力小于重力的影响,没有对初速度和加速度之间的关系做认真的分析。不善于采用定量计算的方法分析问题。
【分析解答】
(1)闭合K之前导体自由下落的末速度为v0=gt=4(m/s)
K闭合瞬间,导体产生感应电动势,回路中产生感应电流。ab立即受到一个竖直向上的安培力。
此刻导体棒所受到合力的方向竖直向上,与初速度方向相反,加速
所以,ab做竖直向下的加速度逐渐减小的变减速运动。当速度减小至F安=mg时,ab做竖直向下的匀速运动。
【评析】
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本题的最大的特点是电磁学知识与力学知识相结合。这类的综合题本质上是一道力学题,只不过在受力上多了一个感应电流受到的安培力。分析问题的基本思路还是力学解题的那些规矩。在运用牛顿第二定律与运动学结合解题时,分析加速度与初速度的关系是解题的最关键的第一步。因为加速度与初速度的关系决定了物体的运动。
例9如图11-10所示,水平导轨的电阻忽略不计,金属棒ab和cd的电阻多别为Rab和Rcd,且Rab>Rcd,处于匀强磁场中。金属棒cd在力F的作用下向右匀速运动。ab在外力作用下处于静止状态,下面说法正确的是 [ ]
A.Uab>Ucd B.Uab=Ucd C.Uab<Ucd D.无法判断 【错误】
因导轨的电阻不计,金属棒ah和cd可以等效为两个电阻串联,而串联电路中,电压的分配跟电阻成正比。因为Rab>Red,所以Uab>Ucd,故选A。
【错解原因】
cd金属棒在F的作用下,做切割磁感线运动,应视为电源。Ucd为电源的端电压,而不是内电压。所以Ucd≠IRcd,Ucd=ε-IRcd,不能将abcd等效为两个外电阻的串联。
【分析解答】
金属棒在力F的作用下向右作切割磁感线的运动应视为电源,而c、d分别等效为这个电源的正、负极,Ucd是电源两极的路端电压,不是内电压。又因为导轨的电阻忽略不计,因此金属棒ab两端的电压Uab也等于路端电压,即Ucd=Uab,所以正确的答案应选B。
【评析】
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电源是将非静电能转换成电能的装置。本题中是通过电磁感应将机械能转化成为电能。cd的作用是电源。ab则是外电路中的电阻。画出等效电路图,如图11-11所示。然后再运用恒定电流的知识进行计算。电磁感应的问题中经常用到这样的化简为直流电路的等效方法。
例10 如图11-12所示,长为6m的导体AB在磁感强度B=0.IT的匀强磁场中,以AB上的一点O为轴,沿着顺时针方向旋转。角速度ω=5rad/s,O点距A端为2m,求AB的电势差。
【错解】
根据法拉第电磁感应定律
ε=Blv v=ωl ε=Bl2ω
断路时导体端电压等于电动势
【错解原因】
法拉第电磁感应定律的导出公式ε=Blv是有条件的。它适用于导体平动且速度方向垂直于磁感线方向的特殊情况。不符合本题的转动情况,本题用错了公式。另外判断感应电动势方向上也出现了问题。
【分析解答】
由于法拉第电磁感应定律ε=Blv适用于导体平动且速度方向垂直于磁感线方向的特殊情况。将转动问题转化为平动作等效处理。因为v=ωl,可以用导体中点的速度的平动产生的电动势等效于OB转动切割磁感线产生的感应电动势。
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