借助专题训练，突破电磁感应难题

2022-04-21杨洋

高中数理化 2022年6期

关键词：金属棒线框感应电流

杨洋

(浙江省湖州市南浔高级中学)

电磁感应是物理学科高考中的必考知识点之一.为提高学生解答相关习题的能力,教师应结合学生的实际情况,做好相关习题类型的总结工作,开展专题训练,从而使学生顺利突破解答电磁感应难题的障碍,掌握相关解题技巧,逐步提升自身的解题自信.

1 电磁感应定性判断问题

例1如图1所示,在水平面上竖直放置一条形磁铁,将一闭合圆形铝环从条形磁铁的正上方由静止释放,则其下落过程中().

图1

A.铝环中产生的感应电流方向不变

B.磁铁对桌面的压力始终大于其自身重力

C.铝环受到先向上后向下的安培力

D.铝环的加速度小于或等于g

分析解答本题需要对条形磁铁磁场规律有个大致的了解.从整个运动过程来看,铝环先靠近磁铁后远离,由楞次定律不难判断,从上向下观察,铝环靠近磁铁产生逆时针方向的电流,远离时产生顺时针方向的电流,选项A 错误.当铝环下落至条形磁铁中间位置时,无感应电流,此时磁铁对桌面的压力为其自身重力,选项B 错误.由楞次定律可知,铝环靠近、远离受到的安培力总是向上的,选项C 错误,选项D正确.

技巧总结明确条形磁铁磁感线方向,运用楞次定律分析铝环受力以及产生感应电流的方向是解答本题的关键.

2 电磁感应图像判断问题

例2如图2所示,边长为a的正方形区域内存在大小相等,方向相反的匀强磁场,分布位置以及方向在图中已经标明.一边长为a的正方形线框在t＝0时,沿x轴开始进入磁场区域.以线框中顺时针方向的电流为正方向,则以下表示线框位移和电流之间的关系正确的是().

图2

分析本题看似较为复杂,但只要选择特殊的位置进行判断即可以快速得到答案.当线框刚进入磁场时,由右手定则可知产生的感应电流方向为顺时针,排除A项.线框离开时产生的感应电流方向也为顺时针,排除C项.当线框位移为时,电流为0,此时继续沿x轴向右运动,产生逆时针方向的电流,此时可排除D 项,故选项B正确.

技巧总结解答该类习题注重选择线框运动的特殊位置进行分析,采用排除法可大大提高解题效率.

3 电磁感应定量计算问题

例3如图3所示,将一宽度为L,上端连接一电阻R,足够长的导轨和水平面成θ角放置.一电阻为r,质量为m的导体棒ab静止在导轨上,其和导轨的动摩擦因数μ＝tanθ.正方形虚线内存在一大小为B的匀强磁场,方向垂直于导轨平面向上.当磁场区域沿导轨平面向上运动时,导体棒ab也会随之运动,并且最终以v0的速度匀速运动.导体棒ab始终未离开磁场区域,导轨电阻忽略,则().

图3

技巧总结解答此类习题应注重掌握、熟练应用电磁感应公式,同时结合所学的电路知识.

4 采用等效法突破电磁感应难题

例4如图4所示,足够长的光滑平行金属导轨MN、PQ所在平面和水平面夹角θ＝30°,导轨之间的距离L＝1m,M、P两端之间接有一个阻值R＝3Ω的电阻,金属棒ab和导轨垂直且接触良好,整个装置位于方向垂直于导轨平面向上的匀强磁场之中,磁感应强度B＝2T.现在导轨上某一位置由静止释放金属棒,当金属棒沿着导轨下滑距离x＝50m 后开始匀速下滑.已知金属棒的电阻r＝1Ω,质量m＝2kg,下滑过程中金属棒始终和导轨垂直,导轨电阻忽略不计,重力加速度g取10m·s－2,那么金属棒从静止释放到开始匀速下滑的过程中所产生的热量是多少? 运动时间是多长?

图4

分析金属棒受到竖直向下的重力以及磁场对它的安培力,结合题意可知金属棒是先沿着导轨下滑,这时重力分力和安培力不平衡,当两者大小一样时,金属棒开始做匀速运动.要计算金属棒产生的热量,需先结合牛顿第二定律计算出金属棒中的电流大小,再把金属棒等效成电源,且同导轨构成一个闭合回路,热量主要由R和电源内阻这两个电阻所产生.计算总热量时要用到能量守恒定律,金属棒重力所做功的一部分转化为动能,另一部分产生热量.计算出总体热量以后,再结合这两个电阻的大小比较计算出由金属棒所贡献的那部分热量.计算金属棒从下滑到匀速运动的时间,要结合法拉第电磁感应定律,先利用动量定理求出电势大小,再根据变化的磁通等于电动势计算出时间.