4.8动力学和能量问题

电磁感应中的动力学和能量问题

合作探究：

电磁感应中的动力学问题

例1：如图所示，两根平行金属导轨固定在同一水平面内，间距为l，导轨左端连接一个电阻．一根质量为m、电阻为r的金属杆ab垂直放置在导轨上．在杆的右方距杆为d处有一个匀强磁场，磁场方向垂直于轨道平面向下，磁感应强度为B.对杆施加一个大小为F、方向平行于导轨的恒力，使杆从静止开始运动，已知杆到达磁场区域时速度为v，之后进入磁场恰好做匀速运动．不计导轨的电阻，假定导轨与杆之间存在恒定的阻力．求：

(1)导轨对杆ab的阻力大小F f.

(2)杆ab中通过的电流及其方向．

(3)导轨左端所接电阻的阻值R.

拓展1.如图甲所示，一对平行光滑轨道放置在水平面上，两轨道间距l＝0.20 m，电阻R＝1.0 Ω；有一导体杆静止地放在轨道上，与两轨道垂直，杆及轨道的电阻皆可忽略不计，整个装置处于磁感应强度B＝0.50 T的匀强磁场中，磁场方向垂直轨道面向下，现用一外力F沿轨道方向拉杆，使之做匀加速运动，测得力F与时间t的关系如图乙所示，求杆的质量m和加速度a.

图6

电磁感应中的能量问题

例2．如图所示，电阻可忽略的光滑平行金属导轨长s＝1.15 m，两导轨间距L＝0.75 m，导轨倾角为30°，导轨上端ab接一阻值R＝1.5 Ω的电阻，磁感应强度B＝0.8 T的匀强磁场垂直轨道平面向上．阻值r＝0.5 Ω、质量m＝0.2 kg的金属棒与轨道垂直且接触良好，从轨道上端ab处由静止开始下滑至底端，在此过程中金属棒产生的焦耳热Q r＝0.1 J．(取g＝10 m/s2)求：

(1)金属棒下滑速度v＝2 m/s时的加速度a；

(2)金属棒下滑的最大速度v m，

(3)金属棒在此过程中克服安培力做的功W安；

电磁感应中的能量问题

拓展2：(2011·天津理综·11)如图所示，两根足够长的光滑平行金属导轨MN、PQ间距为l＝0.5 m，其电阻不计，两导轨及其构成的平面均与水平面成30°角．完全相同的两金属棒ab、cd分别垂直导轨放置，每棒两端都与导轨始终有良好接触，已知两棒质量均为m＝0.02 kg，电阻均为R＝0.1 Ω，整个装置处在垂直于导轨平面向上的匀强磁场中，磁感应强度B＝0.2 T，棒ab在平行于导轨向上的力F作用下，沿导轨向上匀速运动，而棒cd恰好能够保持静止，取g＝10 m/s2，问：

(1)通过棒cd的电流I是多少，方向如何？

(2)棒ab受到的力F多大？

(3)棒cd每产生Q＝0.1 J的热量，力F做的功W是多少？

达标检测：

1.如图所示，两足够长平行金属导轨固定在水平面上，匀强磁场方向垂直导轨平面向下，金属棒ab 、cd 与导轨构成闭合回路且都可沿导轨无摩擦滑动，两金属棒ab 、cd 的质量之比为2∶1.用一沿导轨方向的恒力F 水平向右拉金属棒cd ，经过足够长时间以后

( )

A ．金属棒ab 、cd 都做匀速运动

B ．金属棒ab 上的电流方向是由b 向a

C ．金属棒cd 所受安培力的大小等于2F/3

D ．两金属棒间距离保持不变

2. 如图，两根足够长光滑平行金属导轨PP ′、QQ ′倾斜放置，匀强磁场垂直于导轨平面，导轨的上端与水平放置的两金属板M 、N 相连，板间距离足够大，板间有一带电微粒，金属棒ab 水平跨放在导轨 上，下滑过程中与导轨接触良好．现同时由静止释放带电微粒

和金属棒ab ，则 ( ) A ．金属棒ab 最终可能匀速下滑

B ．金属棒ab 一直加速下滑

C ．金属棒ab 下滑过程中M 板电势高于N 板电势

D ．带电微粒不可能先向N 板运动后向M 板运动

3.如图所示电路，两根光滑金属导轨平行放置在倾角为θ的斜面上，导轨下端接有电阻R ，导轨电阻不计，斜面处在竖直向上的匀强磁场中，电阻可忽略不计的金属棒ab 质量为m ，受到沿斜面向上且与金属棒垂直的恒力F 的作用．金属棒沿导轨匀速下滑，则它在下滑高度h

的过程中，以下说法正确的是 ( )

A ．作用在金属棒上各力的合力做功为零

B ．重力做的功等于系统产生的电能

C ．金属棒克服安培力做的功等于电阻R 上产生的焦耳热

D ．金属棒克服恒力F 做的功等于电阻R 上产生的焦耳热

4.(2012·山东理综·20)如图所示，相距为L 的两条足够长的光滑平行金属导轨与水平面的夹角为θ，上端接有定值电阻R ，匀强磁场垂直于导轨平面，磁感应强度为B.将质量为m 的导体棒由静止释放，当速度达到v 时开始匀速运动，此时对导体棒施加一平行于导轨向下的拉力，并保持拉力的功率恒为P ，导体棒最终以2v 的速度匀速运动．导体棒始终与导轨垂直且接触良好，不计导轨和导体棒的电阻，重力加速度为g.下列选项正确的是 ( )

A ．P ＝2mgvsin θ

B ．P ＝3mgvsin θ

C ．当导体棒速度达到v 2时加速度大小为g 2

sin θ D ．在速度达到2v 以后匀速运动的过程中，R 上产生的焦耳热等于拉力所

做的功

5. 如图所示，竖直放置的两根足够长平行金属导轨相距L ，导轨间接有一定值电阻R ，质量为m ，

电阻为r的金属棒与两导轨始终保持垂直并良好接触，且无摩擦，整个装置放在匀强磁场中，磁场方向与导轨平面垂直，现将金属棒由静止释放，金属棒下落高度为h时开始做匀速运动，在此过程中()

A．导体棒的最大速度为2gh B．通过电阻R的电荷量为BLh

R＋r

C．导体棒克服安培力做的功等于电阻R上产生的热量

D．重力和安培力对导体棒做功的代数和等于导体棒动能的增加量

6.如图甲所示，足够长的光滑平行金属导轨MN、PQ竖直放置，其宽度L＝1 m，一匀强磁场垂直穿过导轨平面，导轨的上端M与P之间连接阻值为R＝0.40 Ω的电阻，质量为m＝0.01 kg、电阻为r ＝0.30 Ω的金属棒ab紧贴在导轨上．现使金属棒ab由静止开始下滑，下滑过程中ab始终保持水平，且与导轨接触良好，其下滑距离x与时间t的关系如图乙所示，图象中的OA段为曲线，AB段为直线，导轨电阻不计，g＝10m/s2(忽略ab棒运动过程中对原磁场的影响)，求：

(1)磁感应强度B的大小；

(2)金属棒ab在开始运动的1.5 s内，通过电阻R的电荷量；

(3)金属棒ab在开始运动的1.5 s内，电阻R上产生的热量．