克服安培力做功中的速度与位移关系

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  “电磁感应”是高中物理的一个重要知识点,在教学大纲中属于Ⅱ级要求,也是高考考查的一个重要内容,在近几年的高考中经常出现,重点考查楞次定律、右手定则、和法拉第电磁感应定律,图像问题也时有出现,常涉及磁感应强度为B,磁通量Φ,感应电动势E,感应电流I和安培力F随时间变化的图线,还有导体切割磁感线产生感应电流I随位移x变化的图线等。
  因此,在各类高考复习资料和模拟题中也会经常出现这类的习题,例如:在09年高考总复习资料《绿色通道》第十二章《电磁感应》中的“电磁感应中的图像问题”的知识点中出现这样一道例题(例7)。
  【例】如图所示,边长为L,具有质量的钢性正方形导线框abcd位于光滑水平面上,线框的总电阻为R,虚线表示一匀强磁场的边界,宽为S(S>L),磁感应强度为B,方向竖直向下,线框以v0的初速度沿光滑的水平面进入磁场,已知ab边刚进入磁场时通过导线框的电流为I0,试在i-x坐标上定性画出此后流过导线框的电流i随坐标位置x变化的图像。
  【解析】在这本资料中给出的图像分别为:图a、图b、图c。
  (1)线框还没有完全进入(或恰好完全进入)磁场时,速度就减小为0,对应的图像为图a,
  (2)线框不能完全通过(或恰好完全通过)磁场时,速度就减小为0,对应的图像为图b,
  (3)线框能完全通过磁场,且速度不为0时,对应的图像为图c。
  
  我认为,这本资料中所给的上述答案是错误的, i-x图像应该是直线,不是曲线(若为i-t图像则是正确的)。
  【更正】我给出的图像分别为:图甲、图乙、图丙。
  
  【证明】只有线框进入或穿出条形磁场区域时才产生感应电动势,才会受到安培阻力,当线框进入磁场的距离为x时,
  感应电动势:E=BL
  感应电流:I=
  安培力:f=BIL=
  在t→t+△t时间内,由动量定理-F△t=m△v
  求和得∑ △t=∑△x=mv0-mv
  解得:x=mv0-mv
  也就是v=v0- x(1)
  式中x为进入或离开磁场过程中通过的位移(受安培力作用时通过的距离),v为移动了距离x时的速度。
  由(1)式可知线框的速度v与x成线性关系,
  同样感应电动势E(BLv)与x也成线性关系,
  同理可得I()与x也成线性关系,
  即I==(v0-x)
  得I=I0-x斜率为-
  因此在前面的图像题中I应与x成线性关系。
  这样,安培力f(BIL)与x也就成线性关系了。定性分析如右图:
  由于安培力f(BIL)与x成线性关系,所以这一过程中的平均作用力就可以表示为f=。
  由此可以看出在解题时就可以应用动能定理了:
  -fx=-x= mv22- mv12(2)
  例1(2007江苏)、如图所示,空间等间距分布着水平方向的条形匀强磁场,竖直方向磁场区域足够长,磁感强度B=1T,每一条形磁场区域的宽度及相邻条形磁场区域的间距均为d=0.5m,现有一边长l=0.2m、质量m=0.1kg、电阻R=0.1Ω的正方形线框MNOP以v0=7m/s的初速从左侧磁场边缘水平进入磁场。求:(1)(2)两问略;(3)线框能穿过的完整条形磁场区域的个数n。
  解:由题意可知,线框在水平方向只受安培力作用,做减速运动,最终的速度为零,设整个过程中有安培力作用时线框通过的总距离为x。根据动能定理由公式(2)
  -x= mv22- mv12
  可得- x=0- mv02
  f1=
  解得x= = (m)
  又由已知得,线框穿过条形磁场区域的个数为n=
  解得n≈4.4
  所以线框可穿过4个完整条形磁场区域。
  综上所述,在只克服安培力做功情况下,速度v、电动势E(BLv)、电流I()、安培力f(BIL)都与位移x(受安培力作用时通过的距离)成线性关系,因此在解克服安培力做功等相关问题时就可以应用动能定理了。特别是题目中不涉及时间t时,应用动能定理解题要比应用动量定理简单很多。
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