有些物理问题,从表面上看运用高中阶段所学的物理知识和数学知识,根本无法求解,但若抓住了题目中的关键环节,通过揭示问题的本质特征、确定相关的替代情景,并在着重于开通两者的信息通道的过程中,容易找到问题的突破口,迅速得到满意的答案。其思维路径可表示为:
例1、用粗细相同的钢丝做成半径分别为R和2R的两只闭合圆环A和B,如图所示,现以相同的速度把两环从磁感强度为B的匀强磁场区域中匀速地拉到磁场外,不考虑圆环的动能,若外力对环做的功分别为WA和WB,则WA:WB为( )
A. 1:4
B. 1:2
C. 1:1
D. 无法确定
解析:圆环匀速拉出磁场的过程中,外力仅用来克服磁场力作功并把其他形式转化来的电能,通过做功最终转化为焦耳热,即
。但由于圆环拉出磁场的过程中,其有效切割长度在变,很难找出两种情况中电流间的关系,但若借用矩形线圈拉出磁场的常规模式,且把两圆环放成同心圆的态势来考虑(如图所示),则很容易得出任何时刻两圆环中由于切割磁感线而产生的感应电动势始终存在关系式:
。而
,
,故
WA:WB=1:4,应选A。
例2、如图所示,水平方向的匀强磁场的磁感应强度为0.2T,有一个400匝、横截面积为20cm2、电阻为
、轴线与磁场平行的螺线管,外接阻值为
的电阻。当螺线管在水平面内绕竖直轴
以10rad/s的角速度匀速转动时,求:
(1)螺线管中的感应电流随时间变化的函数关系;
(2)外电阻上消耗的电功率。
解析:这一题,许多同学一筹莫展。有些同学试图仿照图6中线圈绕
轴匀速转动,由ab、cd切割磁感线而产生感应电动势
的方法推出表达式,但由于切割情况复杂而作罢。事实上,若将图中的线圈沿轴线方向捏成一个平面线圈时,即可得到下图所示的模型,结果当然可以迁移过来。另外,抓住线圈转动时、通过线圈的磁通量的变化规律切入也行。图中通过线圈的磁通量按
变化,这时线圈中产生的感应电动势为
。图中,从等效的角度看,我们可以假设线圈不转,而磁场沿线圈转动的反方向以
的角速度转动,这时线圈中磁通量的变化规律为
,则线圈中产生的感应电动势显然也是
。由此可得所求的答案为
。
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