《高中物理思维方法集解》试笔系列
“通导”在磁场中的“曲线运动”、“振动”
山东平原一中 魏德田 253100
由于“通导”运动时必受轨道、设置等条件的约束,虽然往往不能产生如带电粒子那样复杂的曲线运动。因而,讨论“通导”在磁场中的运动问题,除前文所及外,亦应考虑到其抛物线运动、转动和振动等。这不仅因为在物理学史上,许多伟大的科学家对“通导”转动的研究,直接孕育和创造出电动机,从而开创了电能利用的又一工业革命时代;而且,这种讨论和研究,对于高中物理的教学实践以及各种测试亦有重要的现实意义。
一、破解依据
解决此类问题,大致归纳为以下几条“依据”:
㈠计算“通导”的安培力的大小,用公式FB=BILsinθ(特殊地,FB=BIL),L为其有效长度,θ为B、I的夹角;判断安培力的方向,用左手定则。
㈡计算“通导”的安培力矩的大小,用公式
㈢“通导”处于平动平衡时,合力为零;而处于转动平衡时,则合力矩为零。
㈣“通导”的曲线运动、振动等,同样服从牛二定律、功能关系和各种守恒定律等等。
二、解题示例
㈠“通导”在匀强磁场中的“抛线运动”
⑴导体棒到达轨道最低点O(0,0)的速度;
⑵导体棒在什么位置速度达到最大?
⑶速度的最大值为多少?(g=10m/s2)
[解析]⑴首先,分析可知“通导”在重力、支持力和安培力等作用下,沿导轨做变加速抛物线运动,如图—2所示。由“依据”㈠可知,
其方向水平向右。
依题意,又知
联立①②③式,考虑到A(-4,4),O(0,0),即
显然,其方向水平向右。
再后,由数学可知,图中的F点为焦点,l为准线。由抛物线方程
显然,在等腰三角形CFE中,两底角皆为30°。从而可得
即当通导到达C(-1.15m,0.33m)点时速度有最大值。
⑶最后,我们再应用“依据”㈣(即动能定理),可得
联立①③⑥式,代入④⑤式的已知结果,不难求出速度的最大值
[点拨]事实上,“通导”自A至C为“变加速”,过O后则“变减速”,一直减速至零;然后,复向左“变加速”、“变减速”至A点速度又为零。由此可见,“通导”以C为平衡位
[例题2]如上题,若抛物线方程为
⑴导体棒能否到达坐标原点O。
⑵若导体棒运动到坐标原点时,而恰好脱离导轨,则其初速度应为多大?
[解析]如图—4所示,类似地。由“依据”㈠,可得
方向向左。分析又知,“通导”在由A点运动到O点过程中,安培力、重力为运动阻力而使“通导”减速,从而做负功。若其恰好到达坐标原点O,则vt=0,由“依据”㈣(即动能定理)可得
已知
联立①②③式,代入yO=0m,yO=-4m,x0=0m、yA=-4m,g=10m/s2.即可求出
亦即
⑵然后,由抛物线方程
而“通导”自A点至O点时,恰好脱离导轨仅有重力提供向心力,轨道支持力为零。此时最小速度亦为
接下来,设题设情况下“通导”的初速度为vA/, 同理可得
联立①③④⑤式,代入上述已知数据,我们可解得
[点拨]此例第一小题先弄清安培力的大小和方向,继之对“通导”做受力、运动分析,明确安培力、重力对其做负功,再应用动能定理予以解决。第二小题,则更应用变速圆运动、平抛运动的特殊规律,如由“圆”运动至“平抛”运动的临界速度
㈡“通导”在匀强磁场中的“转动”
[例题3](高考模拟题) 如图—5为磁电式电流表的示意图。蹄形磁铁和铁芯间磁场的“磁强”为B且均匀幅向分布。线圈的匝数为n、长为L、转动半径为r,当其中通以图示方向的电流时,由于受安培力矩作用,从而发生转动。已知螺旋弹簧的反抗力矩为
它们的力矩均为逆时针方向,即线圈亦为逆时针方向偏转。
然后,应用“依据”㈢(即力矩平衡条件)可得
进而, 联立①②式,即可求出通过线圈电流的大小
[解析]首先,分析可知当开关未接通时,因金属杆端小球的重力作用使杆ab处于竖直位置,重力力矩为零。而当开关接通后,金属杆即通过电流。应用“依据”㈠㈡,可知此“通导”受逆时针安培力矩MB作用而发生转动,而顺时针重力力矩MG大小增到等于逆时针安培力矩MB时,则它可保持静止,如图—8所示。易知,MB的大小为
代入前、后两种情况下,杆与水平线夹角、总电阻
[点拨]纵观例1、例2的求解过程,除必须明确安培力大小和方向外,着重应用了力矩及其平衡条件。须知,重力力矩大小是可变的。
㈢“通导”在匀强磁场中的“振动”
[例题5](’07山西模拟)在图—9中,abcd是电阻不计的金属丝制成的长方形线框。质量为m的导体棒MN的长度为l,电阻是R,它可在ab边与cd边上无摩擦的滑动,且接触良好。线框处在垂直纸面向里的磁感应强度为B的匀强磁场中。MN在力F的作用下,在ad与 bc之间作简谐运动,图中的点划线为其平衡位置,且点划线、MN都与ad平行。棒MN的最大速度是vm,此过程中有下列说法,其中正确的是 ( )
B.棒受到的安培力和回复力是同时变大或变小的
C.F与安培力大小相等时的功率为
[解析]首先,选向右为坐标正方向。分析可知当“通导”MN由静止向右运动时,由右手定则可知电流方向自N→M;再应用“依据”㈡,可知安培力方向向左为负;同理,当其向左运动时,可知安培力方向向右为正。
显然,“通导”做简谐运动时,受变化的外力F、安培力FB的共同作用,其回复力两力的合力。故知A错。
由简谐运动定义式,可知第一个1/4周期“通导”向右加速阶段
两个力F、FB常常大小不等,由功率
应用“依据”㈢、㈣,可知在O点即外力F 与安培力的合力为零时,速度达到最大值vm。从而,由功率公式、全电路欧姆定律可得
由此可知,选项C正确。
图—10中曲线PRQ、ACB和直线MN大致表示前半周期内外力、安培力和回复力等随位移变化的规律;图—11各线则大致表示后半周期内各力随位移变化的规律。
因此,本题答案为:选项C。
[点拨]应该强调,外力、安培力皆为非线性变力,而这种变力是随位移变化而变化的。否则,也就没有此简谐运动的产生。
[例题6](’05江苏)如图—12所示,固定的水平光滑金属导轨,间距为L,左端接有阻值为R的电阻,处在方向竖直、磁感应强度为B的匀强磁场中,质量为m的导体棒与固定弹簧相连,放在导轨上,导轨与导体棒的电阻均可忽略.初始时刻,弹簧恰处于自然长度,导体棒具有水平向右的初速度v0.在沿导轨往复运动的过程中,导体棒始终与导轨垂直并保持良好接触.
(1)求初始时刻导体棒受到的安培力.
(2)若导体棒从初始时刻到速度第一次为零时,弹簧的弹性势能为Ep,则这一过程中安培力所做的功W1和电阻R上产生的焦耳热Q1分别为多少?
(3)导体棒往复运动,最终将静止于何处?从导体棒开始运动直到最终静止的过程中,电阻R上产生的焦耳热Q为多少?
联立①②式,即可求出
⑵然后,已知导体棒从初始时刻到速度第一次为零时,弹簧的弹性势能为Ep,安培力所做的功为W1,由依据㈣(即功能关系、能量守恒),得
进而,可知此能量变化
⑶最后,当“通导”保持静止时,由“依据”㈢(即平动平衡条件)可知速度v、安培力FB、弹力T必均为零,亦必有
⑴求初时刻导体棒受到的安培力
⑵求初时刻导体棒加速度的大小和方向
⑶导体棒往复运动,最终将静止于何处?从导体棒开始运动直到最终静止的过程中,电阻R上产生的焦耳热Q为多少?
[解析]⑴首先,分析可知导体棒在竖直方向做机械振动。选竖直向下为坐标正方向,类似例5,易得“通导”初时刻受到的安培力
其方向竖直向下。
⑵然后,除安培力外,“通导”在初时刻还受弹力T、重力mg作用,由胡克定律、“依据”㈢(即牛二定律)可得
联立①②③式,可以求出
加速度方向竖直向下。
⑶最后,由“依据”㈢(即平动平衡条件)可知,
再联立④⑤两式,即可求出“通导”从开始运动到最终静止时间内,电阻R上产生的焦耳热
[点拨]例5、例6尽管均属于机械振动,却分明存在受力情况、振动方向等等的不同,其回复力亦不与位移大小成正比,因而此“通导”做非简谐运动。解决此类问题时,我们必须先弄清安培力的大小和方向,再对“通导”(导体棒、线圈等)进行受力、运动分析,还要明确安培力做功可导致电源势能的等量消耗,而牛顿定律、平衡条件、功能关系、能量守恒定律(注:包括机械能、内能、电势能在内)等等的应用,也往往是非常必要的。
(2017-08-04 经典重发)
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