小學(xué)數(shù)學(xué)復(fù)習(xí)教案
發(fā)表時(shí)間:2021-01-25高三物理重要復(fù)習(xí)提綱:動力學(xué)。
高三物理重要復(fù)習(xí)提綱:動力學(xué)
高三物理期末復(fù)習(xí)提綱:動力學(xué)1.牛頓第一運(yùn)動定律(慣性定律):物體具有慣性,總保持勻速直線運(yùn)動狀態(tài)或靜止?fàn)顟B(tài),直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止2.牛頓第二運(yùn)動定律:F合=ma或a=F合/ma{由合外力決定,與合外力方向一致}3.牛頓第三運(yùn)動定律:F=-F′{負(fù)號表示方向相反,F(xiàn)、F′各自作用在對方,平衡力與作用力反作用力區(qū)別,實(shí)際應(yīng)用:反沖運(yùn)動}4.共點(diǎn)力的平衡F合=0,推廣{正交分解法、三力匯交原理}5.超重:FNG,失重:FN6.牛頓運(yùn)動定律的適用條件:適用于解決低速運(yùn)動問題,適用于宏觀物體,不適用于處理高速問題,不適用于微觀粒子〔見第一冊P67〕注:平衡狀態(tài)是指物體處于靜止或勻速直線狀態(tài),或者是勻速轉(zhuǎn)動。高三物理期末復(fù)習(xí)提綱:力1)常見的力1.重力G=mg(方向豎直向下,g=9.8m/s2≈10m/s2,作用點(diǎn)在重心,適用于地球表面附近)2.胡克定律F=kx{方向沿恢復(fù)形變方向,k:勁度系數(shù)(N/m),x:形變量(m)}3.滑動摩擦力F=μFN{與物體相對運(yùn)動方向相反,μ:摩擦因數(shù),F(xiàn)N:正壓力(N)}4.靜摩擦力0≤f靜≤fm(與物體相對運(yùn)動趨勢方向相反,fm為最大靜摩擦力)5.萬有引力F=Gm1m2/r2(G=6.67×10-11N·m2/kg2,方向在它們的連線上)6.靜電力F=kQ1Q2/r2(k=9.0×109N·m2/C2,方向在它們的連線上)7.電場力F=Eq(E:場強(qiáng)N/C,q:電量C,正電荷受的電場力與場強(qiáng)方向相同)8.安培力F=BILsinθ(θ為B與L的夾角,當(dāng)L⊥B時(shí):F=BIL,B//L時(shí):F=0)9.洛侖茲力f=qVBsinθ(θ為B與V的夾角,當(dāng)V⊥B時(shí):f=qVB,V//B時(shí):f=0)注:高三物理期末復(fù)習(xí)提綱(1)勁度系數(shù)k由彈簧自身決定;(2)摩擦因數(shù)μ與壓力大小及接觸面積大小無關(guān),由接觸面材料特性與表面狀況等決定;(3)fm略大于μFN,一般視為fm≈μFN;(4)其它相關(guān)內(nèi)容:靜摩擦力(大小、方向)〔見第一冊P8〕;(5)物理量符號及單位B:磁感強(qiáng)度(T),L:有效長度(m),I:電流強(qiáng)度(A),V:帶電粒子速度(m/s),q:帶電粒子(帶電體)電量(C);(6)安培力與洛侖茲力方向均用左手定則判定。2)力的合成與分解1.同一直線上力的合成同向:F=F1+F2,反向:F=F1-F2(F1F2)2.互成角度力的合成:F=(F12+F22+2F1F2cosα)1/2(余弦定理)F1⊥F2時(shí):F=(F12+F22)1/23.合力大小范圍:|F1-F2|≤F≤|F1+F2|4.力的正交分解:Fx=Fcosβ,F(xiàn)y=Fsinβ(β為合力與x軸之間的夾角tgβ=Fy/Fx)注:(1)力(矢量)的合成與分解遵循平行四邊形定則;(2)合力與分力的關(guān)系是等效替代關(guān)系,可用合力替代分力的共同作用,反之也成立;(3)除公式法外,也可用作圖法求解,此時(shí)要選擇標(biāo)度,嚴(yán)格作圖;(4)F1與F2的值一定時(shí),F(xiàn)1與F2的夾角(α角)越大,合力越小;(5)同一直線上力的合成,可沿直線取正方向,用正負(fù)號表示力的方向,化簡為代數(shù)運(yùn)算。高三物理期末復(fù)習(xí)提綱:直線運(yùn)動1)勻變速直線運(yùn)動1.平均速度V平=s/t(定義式)2.有用推論Vt2-Vo2=2as3.中間時(shí)刻速度Vt/2=V平=(Vt+Vo)/24.末速度Vt=Vo+at5.中間位置速度Vs/2=[(Vo2+Vt2)/2]1/26.位移s=V平t=Vot+at2/2=Vt/2t7.加速度a=(Vt-Vo)/t{以Vo為正方向,a與Vo同向(加速)a0;反向則a0}8.實(shí)驗(yàn)用推論Δs=aT2{Δs為連續(xù)相鄰相等時(shí)間(T)內(nèi)位移之差}9.主要物理量及單位:初速度(Vo):m/s;加速度(a):m/s2;末速度(Vt):m/s;時(shí)間(t)秒(s);位移(s):米(m);路程:米;速度單位換算:1m/s=3.6km/h。注:(1)平均速度是矢量;(2)物體速度大,加速度不一定大;(3)a=(Vt-Vo)/t只是量度式,不是決定式;(4)其它相關(guān)內(nèi)容:質(zhì)點(diǎn)、位移和路程、參考系、時(shí)間與時(shí)刻〔見第一冊P19〕/s--t圖、v--t圖/速度與速率、瞬時(shí)速度〔見第一冊P24〕。2)自由落體運(yùn)動1.初速度Vo=02.末速度Vt=gt3.下落高度h=gt2/2(從Vo位置向下計(jì)算)4.推論Vt2=2gh注:(1)自由落體運(yùn)動是初速度為零的勻加速直線運(yùn)動,遵循勻變速直線運(yùn)動規(guī)律;(2)a=g=9.8m/s2≈10m/s2(重力加速度在赤道附近較小,在高山處比平地小,方向豎直向下)。(3)豎直上拋運(yùn)動1.位移s=Vot-gt2/22.末速度Vt=Vo-gt(g=9.8m/s2≈10m/s2)3.有用推論Vt2-Vo2=-2gs4.上升最大高度Hm=Vo2/2g(拋出點(diǎn)算起)5.往返時(shí)間t=2Vo/g(從拋出落回原位置的時(shí)間)注:(1)全過程處理:是勻減速直線運(yùn)動,以向上為正方向,加速度取負(fù)值;(2)分段處理:向上為勻減速直線運(yùn)動,向下為自由落體運(yùn)動,具有對稱性;(3)上升與下落過程具有對稱性,如在同點(diǎn)速度等值反向等。
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20xx高考物理復(fù)習(xí)微專題07用動力學(xué)和能量觀點(diǎn)解決力學(xué)綜合題學(xué)案
每個(gè)老師不可缺少的課件是教案課件,大家在認(rèn)真寫教案課件了。是時(shí)候?qū)ψ约航贪刚n件工作做個(gè)新的規(guī)劃了,未來的工作就會做得更好!究竟有沒有好的適合教案課件的范文?小編收集并整理了“20xx高考物理復(fù)習(xí)微專題07用動力學(xué)和能量觀點(diǎn)解決力學(xué)綜合題學(xué)案”,供大家參考,希望能幫助到有需要的朋友。
微專題07用動力學(xué)和能量觀點(diǎn)解決力學(xué)綜合題多運(yùn)動組合問題
(對應(yīng)學(xué)生用書P96)
1.多運(yùn)動組合問題主要是指直線運(yùn)動、平拋運(yùn)動和豎直面內(nèi)圓周運(yùn)動的組合問題.
2.解題策略
(1)動力學(xué)方法觀點(diǎn):牛頓運(yùn)動定律、運(yùn)動學(xué)基本規(guī)律.
(2)能量觀點(diǎn):動能定理、機(jī)械能守恒定律、能量守恒定律.
3.解題關(guān)鍵
(1)抓住物理情景中出現(xiàn)的運(yùn)動狀態(tài)和運(yùn)動過程,將物理過程分解成幾個(gè)簡單的子過程.
(2)兩個(gè)相鄰過程連接點(diǎn)的速度是聯(lián)系兩過程的紐帶,也是解題的關(guān)鍵.很多情況下平拋運(yùn)動的末速度的方向是解題的重要突破口.
(20xx全國卷Ⅰ)如圖,一輕彈簧原長為2R,其一端固定在傾角為37°的固定直軌道AC的底端A處,另一端位于直軌道上B處,彈簧處于自然狀態(tài),直軌道與一半徑為56R的光滑圓弧軌道相切于C點(diǎn),AC=7R,A、B、C、D均在同一豎直平面內(nèi).質(zhì)量為m的小物塊P自C點(diǎn)由靜止開始下滑,最低到達(dá)E點(diǎn)(未畫出),隨后P沿軌道被彈回,最高到達(dá)F點(diǎn),AF=4R.已知P與直軌道間的動摩擦因數(shù)μ=14,重力加速度大小為g.取sin37°=35,cos37°=45
(1)求P第一次運(yùn)動到B點(diǎn)時(shí)速度的大??;
(2)求P運(yùn)動到E點(diǎn)時(shí)彈簧的彈性勢能;
(3)改變物塊P的質(zhì)量,將P推至E點(diǎn),從靜止開始釋放.已知P自圓弧軌道的最高點(diǎn)D處水平飛出后,恰好通過G點(diǎn).G點(diǎn)在C點(diǎn)左下方,與C點(diǎn)水平相距72R、豎直相距R,求P運(yùn)動到D點(diǎn)時(shí)速度的大小和改變后P的質(zhì)量.
解析:(1)由題意可知:lBC=7R-2R=5R①
設(shè)P到達(dá)B點(diǎn)時(shí)的速度為vB,由動能定理得
mglBCsinθ-μmglBCcosθ=12mv2B②
式中θ=37°,聯(lián)立①②式并由題給條件得
vB=2gR③
(2)設(shè)BE=x,P到達(dá)E點(diǎn)時(shí)速度為零,此時(shí)彈簧的彈性勢能為Ep,由B→E過程,根據(jù)動能定理得
mgxsinθ-μmgxcosθ-Ep=0-12mv2B④
E、F之間的距離l1為l1=4R-2R+x⑤
P到達(dá)E點(diǎn)后反彈,從E點(diǎn)運(yùn)動到F點(diǎn)的過程中,由動能定理有
Ep-mgl1sinθ-μmgl1cosθ=0⑥
聯(lián)立③④⑤⑥式得
x=R⑦
Ep=125mgR⑧
(3)設(shè)改變后P的質(zhì)量為m1,D點(diǎn)與G點(diǎn)的水平距離為x1、豎直距離為y1,由幾何關(guān)系(如圖所示)得θ=37°.
由幾何關(guān)系得:
x1=72R-56Rsinθ=3R⑨
y1=R+56R+56Rcosθ=52R⑩
設(shè)P在D點(diǎn)的速度為vD,由D點(diǎn)運(yùn)動到G點(diǎn)的時(shí)間為t.
由平拋運(yùn)動公式得:
y1=12gt2
x1=vDt
聯(lián)立⑨⑩得
vD=355gR
設(shè)P在C點(diǎn)速度的大小為vC,在P由C運(yùn)動到D的過程中機(jī)械能守恒,有
12m1v2C=12m1v2D+m1g56R+56Rcosθ
P由E點(diǎn)運(yùn)動到C點(diǎn)的過程中,由動能定理得Ep-m1g(x+5R)sinθ-μm1g(x+5R)cosθ=12m1v2C
聯(lián)立⑦⑧得
m1=13m
答案:(1)2gR(2)125mgR(3)355gR13m
多過程問題的解題技巧
1.“合”——初步了解全過程,構(gòu)建大致的運(yùn)動圖景.
2.“分”——將全過程進(jìn)行分解,分析每個(gè)過程的規(guī)律.
3.“合”——找到子過程的聯(lián)系,尋找解題方法.
(20xx南充模擬)如圖所示,AB為傾角θ=37°的斜面軌道,軌道的AC部分光滑,CB部分粗糙,BP為圓心角等于143°、半徑R=1m的豎直光滑圓弧形軌道,兩軌道相切于B點(diǎn),P、O兩點(diǎn)在同一豎直線上,輕彈簧一端固定在A點(diǎn),另一自由端在斜面上C點(diǎn)處,現(xiàn)有一質(zhì)量m=2kg的小物塊在外力作用下將彈簧緩慢壓縮到D點(diǎn)后(不拴接)釋放,物塊經(jīng)過C點(diǎn)后,從C點(diǎn)運(yùn)動到B點(diǎn)過程中的位移與時(shí)間的關(guān)系為x=12t-4t2(式中x單位是m,t單位是s),假設(shè)物塊第一次經(jīng)過B點(diǎn)后恰能到達(dá)P點(diǎn),sin37°=0.6,cos37°=0.8,g取10m/s2.試求:
(1)若CD=1m,試求物塊從D點(diǎn)運(yùn)動到C點(diǎn)的過程中,彈簧對物塊所做的功;
(2)B、C兩點(diǎn)間的距離x;
(3)若在P處安裝一個(gè)豎直彈性擋板,小物塊與擋板碰撞后速度反向,速度大小不變,小物塊與彈簧相互作用不損失機(jī)械能,試通過計(jì)算判斷物塊在第一次與擋板碰撞后的運(yùn)動過程中是否會脫離軌道?
解析:(1)由x=12t-4t2知,
物塊在C點(diǎn)速度為v0=12m/s
設(shè)物塊從D點(diǎn)運(yùn)動到C點(diǎn)的過程中,彈簧對物塊所做的功為W,由動能定理得:
W-mgsin37°CD=12mv20
代入數(shù)據(jù)得:W=12mv20+mgsin37°CD=156J.
(2)由x=12t-4t2知,物塊從C運(yùn)動到B的加速度大小為a=8m/s2
物塊在P點(diǎn)的速度滿足mg=mv2PR
物塊從B運(yùn)動到P的過程中機(jī)械能守恒,則有
12mv2B=12mv2P+mghBP
物塊從C運(yùn)動到B的過程中有v2B-v20=-2ax
由以上各式解得x=498m=6.125m.
(3)設(shè)物塊與斜面間的動摩擦因數(shù)為μ,由牛頓第二定律得
mgsinθ+μmgcosθ=ma
代入數(shù)據(jù)解得μ=0.25
假設(shè)物塊第一次從圓弧軌道返回并與彈簧相互作用后,能夠回到與O點(diǎn)等高的位置Q點(diǎn),且設(shè)其速度為vQ,由動能定理得
12mv2Q-12mv2P=mgR-2μmgcos37°
解得v2Q=-19<0.
可見物塊返回后不能到達(dá)Q點(diǎn),故物塊在以后的運(yùn)動過程中不會脫離軌道.
答案:(1)156J(2)6.125m(3)不會
運(yùn)用數(shù)學(xué)知識求解物理極值問題
(對應(yīng)學(xué)生用書P97)
數(shù)學(xué)思想和方法已經(jīng)滲透到物理學(xué)中各個(gè)層次和領(lǐng)域,特別是數(shù)學(xué)中的基本不等式思想在解決物理計(jì)算題中的極值問題時(shí)會經(jīng)常用到,這也是數(shù)學(xué)知識在具體物理問題中實(shí)際應(yīng)用的反映,也是高考中要求的五大能力之一.
如圖所示,粗糙水平臺面上靜置一質(zhì)量m=0.5kg的小物塊(視為質(zhì)點(diǎn)),它與平臺表面的動摩擦因數(shù)μ=0.5,與平臺邊緣O點(diǎn)的距離s=5m.在平臺右側(cè)固定了一個(gè)1/4圓弧擋板,圓弧半徑R=1m,圓弧的圓心為O點(diǎn).現(xiàn)用F=5N的水平恒力拉動小物塊,一段時(shí)間后撤去拉力.(不考慮空氣阻力影響,g取10m/s2)
(1)為使小物塊擊中擋板,求拉力F作用的最短時(shí)間;
(2)改變拉力F的作用時(shí)間,小物塊擊中擋板的不同位置.求擊中擋板時(shí)小物塊動能的最小值.
解析:(1)由動能定理
Fx-μmgs=ΔEk=0
又F-μmg=ma
x=12at2
解得t=1s.
(2)設(shè)物塊離開O點(diǎn)的速度為v0時(shí),擊中擋板時(shí)小物塊的動能最小
x=v0t,y=12gt2
x2+y2=R2
擊中擋板時(shí)的動能
Ek=12mv20+mgy
由以上各式得Ek=14mgR2y+3y
當(dāng)R2y=3y.即y=33時(shí),Ek最小
最小值Ek=532J.
答案:(1)1s(2)532J
(多選)如圖所示,在粗糙水平臺階上有一輕彈簧,左端固定在A點(diǎn),彈簧處于自然狀態(tài)時(shí)其右端位于臺階右邊緣O點(diǎn).臺階右側(cè)固定了14圓弧擋板,圓弧半徑R=1m,圓心為O,P為圓弧上的一點(diǎn),以圓心O為原點(diǎn)建立平面直角坐標(biāo)系,OP與x軸夾角53°(sin53°=0.8),用質(zhì)量m=2kg的小物塊,將彈簧壓縮到B點(diǎn)后由靜止釋放,小物塊最終水平拋出并擊中擋板上的P點(diǎn).物塊與水平臺階表面間的動摩擦因數(shù)μ=0.5,BO間的距離s=0.8m,g取10m/s2,不計(jì)空氣阻力,下列說法正確的是()
A.物塊離開O點(diǎn)時(shí)的速度大小為1.5m/s
B.彈簧在B點(diǎn)時(shí)具有的彈性勢能為10.25J
C.改變彈簧的彈性勢能,擊中擋板時(shí)物塊的最小動能為103J
D.改變彈簧的彈性勢能,物塊做平拋運(yùn)動,可能垂直落到擋板上
解析:選ABC設(shè)物塊離開O點(diǎn)的速度為v0
則Rsin37°=v0t
Rcos37°=12gt2
解得v0=1.5m/s
由B→O,則
Ep=μmgs+12mv20=10.25J,故A、B正確.
設(shè)物塊離開O點(diǎn)的速度為v時(shí),擊中擋板時(shí)動能最小
則Ek=12mv2+mgh
又h=12gt2,t=xv
x2+h2=R2
得Ek=5h+15h.當(dāng)5h=15h時(shí),Ek最小
故Ek=103J,C正確.
假設(shè)物塊能垂直打在擋板上,則速度的反向延長過O點(diǎn),故不可能,D錯(cuò)誤.
傳送帶模型問題
(對應(yīng)學(xué)生用書P97)
1.模型分類:水平傳送帶問題和傾斜傳送帶問題.
2.處理方法:求解的關(guān)鍵在于認(rèn)真分析物體與傳送帶的相對運(yùn)動情況,從而確定其是否受到滑動摩擦力作用.如果受到滑動摩擦力作用應(yīng)進(jìn)一步確定其大小和方向,然后根據(jù)物體的受力情況確定物體的運(yùn)動情況.當(dāng)物體速度與傳送帶速度相等時(shí),物體所受的摩擦力有可能發(fā)生突變.
(20xx河北衡水中學(xué)二模)如圖所示為一皮帶傳送裝置,其中AB段水平,長度LAB=4m,BC段傾斜,長度足夠長,傾角為θ=37°,AB和BC在B點(diǎn)通過一段極短的圓弧連接(圖中未畫出圓弧),傳送帶以v=4m/s的恒定速率順時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn).現(xiàn)將一質(zhì)量m=1kg的工件(可看成質(zhì)點(diǎn))無初速度地放在A點(diǎn),已知工件與傳送帶間的動摩擦因數(shù)μ=0.5.sin37°=0.6,cos37°=0.8,重力加速度g取10m/s2.求:
(1)工件從A點(diǎn)開始至第一次到達(dá)B點(diǎn)所用的時(shí)間t;
(2)工件從第一次到達(dá)B點(diǎn)至第二次到達(dá)B點(diǎn)的過程中,工件與傳送帶間因摩擦而產(chǎn)生的熱量Q.
解析:(1)由牛頓第二定律得μmg=ma1,則a1=μg=5m/s2,
經(jīng)t1時(shí)間工件與傳送帶的速度相同,則t1=va1=0.8s,
工件前進(jìn)的位移為x1=12a1t21=1.6m,
此后工件將與傳送帶一起勻速運(yùn)動至B點(diǎn),用時(shí)
t2=LAB-x1v=0.6s,
工件第一次到達(dá)B點(diǎn)所用的時(shí)間t=t1+t2=1.4s.
(2)工件沿BC上升過程中受到摩擦力f=μmgcosθ,
由牛頓第二定律可得,加速度大小a2=mgsinθ-fm=2m/s2,
由運(yùn)動學(xué)公式可得t3=va2=2s,
下降過程加速度大小不變,a3=a2=2m/s2,
由運(yùn)動學(xué)公式可得t4=va3=2s.
工件與傳送帶的相對位移Δx=v(t3+t4)=16m,
摩擦生熱Q=fΔx=64J.
答案:(1)1.4s(2)64J
1.分析流程
2.功能關(guān)系
(1)功能關(guān)系分析:WF=ΔEk+ΔEp+Q.
(2)對WF和Q的理解:
①傳送帶的功:WF=Fx傳;
②產(chǎn)生的內(nèi)能Q=Ffx相對.
(20xx安徽江淮十校聯(lián)考)(多選)如圖所示,傾角θ=37°的足夠長的傳送帶以恒定速度運(yùn)行,將一質(zhì)量m=1kg的小物體以某一初速度放上傳送帶,物體相對地面的速度大小隨時(shí)間變化的關(guān)系如圖所示,取沿傳送帶向上為正方向,g取10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8.則下列說法正確的是()
A.物體與傳送帶間的動摩擦因數(shù)為0.75
B.0~8s內(nèi)物體位移的大小為14m
C.0~8s內(nèi)物體機(jī)械能的增量為84J
D.0~8s內(nèi)物體與傳送帶之間因摩擦而產(chǎn)生的熱量為126J
解析:選BD根據(jù)vt圖象的斜率表示加速度,可得物體相對傳送帶滑動時(shí)的加速度大小為a=22m/s2=1m/s2,由牛頓第二定律得μmgcosθ-mgsinθ=ma,解得μ=0.875,故A錯(cuò)誤.0~8s內(nèi)物體的位移為s=-12×2×2m+2+62×4m=14m,故B正確.物體上升的高度為h=ssinθ=8.4m,重力勢能的增量為ΔEp=mgh=84J,動能增量為ΔEk=12mv22-12mv21=12×1×(42-22)J=6J,機(jī)械能增量為ΔE=ΔEp+ΔEk=90J,故C錯(cuò)誤.0~8s內(nèi)只有前6s內(nèi)物體與傳送帶發(fā)生相對滑動,0~6s內(nèi)傳送帶運(yùn)動的距離為s帶=4×6m=24m,0~6s內(nèi)物體位移為s物=-12×2×2m+4×42m=6m,s相對=s帶-s物=18m,產(chǎn)生的熱量為Q=μmgcosθs相對=126J,故D正確.
滑塊—木板模型問題
(對應(yīng)學(xué)生用書P98)
1.滑塊—木板模型根據(jù)情況可以分成水平面上的滑塊—木板模型和斜面上的滑塊—木板模型.
2.滑塊從木板的一端運(yùn)動到另一端的過程中,若滑塊和木板沿同一方向運(yùn)動,則滑塊的位移和木板的位移之差等于木板的長度;若滑塊和木板沿相反方向運(yùn)動,則滑塊的位移和木板的位移之和等于木板的長度.
3.此類問題涉及兩個(gè)物體、多個(gè)運(yùn)動過程,并且物體間還存在相對運(yùn)動,所以應(yīng)準(zhǔn)確求出各物體在各個(gè)運(yùn)動過程中的加速度(注意兩過程的連接處加速度可能突變),找出物體之間的位移(路程)關(guān)系或速度關(guān)系是解題的突破口,求解中應(yīng)注意聯(lián)系兩個(gè)過程的紐帶,每一個(gè)過程的末速度是下一個(gè)過程的初速度.
10個(gè)同樣長度的木塊放在水平地面上,每個(gè)木塊的質(zhì)量m=0.5kg、長度L=0.6m,它們與地面之間的動摩擦因數(shù)μ1=0.1,在左方第一個(gè)木塊上放一質(zhì)量M=1kg的小鉛塊(視為質(zhì)點(diǎn)),它與木塊間的動摩擦因數(shù)μ2=0.25.現(xiàn)給鉛塊一向右的初速度v0=5m/s,使其在木塊上滑行.g取10m/s2,求:
(1)開始帶動木塊運(yùn)動時(shí)鉛塊的速度;
(2)鉛塊與木塊間因摩擦產(chǎn)生的總熱量;
(3)鉛塊運(yùn)動的總時(shí)間.
解析:(1)設(shè)鉛塊可以帶動n個(gè)木塊移動,以這n個(gè)木塊為研究對象,鉛塊施加的摩擦力應(yīng)大于地面施加的摩擦力,即μ2Mg>μ1(M+nm)g
解得n<3,取n=2,此時(shí)鉛塊已滑過8個(gè)木塊
根據(jù)動能定理有:12Mv20-12Mv2=μ2Mg×8L
代入數(shù)據(jù)得,剛滑上木塊9時(shí)鉛塊的速度:v=1m/s.
(2)對鉛塊M:a2=μ2g=2.5m/s2,v2=v-a2t2
對最后兩塊木塊9和10有:
a1=μ2Mg-μ1M+2mg2m=0.5m/s2,v1=a1t2
令v1=v2,故它們獲得共同速度所需時(shí)間:
t2=va1+a2=13s
鉛塊位移:x2=vt2-12a2t22,
木塊位移:x1=12a1t22
鉛塊相對木塊位移:Δx=x2-x1=16m<L
所以鉛塊與木塊間因摩擦產(chǎn)生的總熱量:
Q=μ2Mg(8L+Δx)=12.42J.
(3)由(2)問知,鉛塊與木塊的共同速度為:
v1=a1t2=16m/s
鉛塊、木塊一起做勻減速運(yùn)動的時(shí)間:t3=v1μ1g=16s
鉛塊在前8個(gè)木塊上運(yùn)動時(shí)間:t1=v0-vμ2g=1.6s
所以鉛塊運(yùn)動的總時(shí)間:
t=t1+t2+t3=2.1s.
答案:(1)1m/s(2)12.42J(3)2.1s
如圖所示,在水平面上有A、B兩塊相同的木板.質(zhì)量均為m=2kg,每塊木板長L=1m.兩木板放在一起但不粘連,木板與水平地面間的動摩擦因數(shù)μ1=0.1,設(shè)定最大靜摩擦力與滑動摩擦力大小相等.現(xiàn)有一質(zhì)量M=4kg的金屬塊C以初速度v0=22m/s從A的左端向右滑動,金屬塊與木板間的動摩擦因數(shù)μ2=0.2,g取g=10m/s2,試求:
(1)金屬塊滑上B的左端時(shí)速度為多少?
(2)金屬塊停在木塊B上何處?
(3)整個(gè)過程中木塊B的位移是多少?
解析:(1)AB與地面:fAB=μ1(2m+M)g=8N
AC間:fAC=μ2Mg=8N
故開始時(shí)AB靜止,對C有:v20-v21=2μ2gL
v1=2m/s
(2)BC間:fBC=μ2Mg=8N
B地間:fB=μ1(m+M)g=6N<fBC
則C減速,B加速,設(shè)經(jīng)時(shí)間t達(dá)共同速度v2,則:
對B:fBC-fB=maB
aB=1m/s2,v2=aBt=v1-μ2gt
t=23sv2=23m/s
此過程C相對B運(yùn)動s=v1+v22t-v22t=23m
(3)此后BC一起減速,a=μ1g=1m/s2,
B的位移sB=v22t+v222a=49m.
答案:(1)2m/s(2)23m(3)49m
電磁感應(yīng)中的動力學(xué)和能量問題
電磁感應(yīng)中的動力學(xué)和能量問題
要點(diǎn)一電磁感應(yīng)中的動力學(xué)問題
即學(xué)即用
1.如圖甲所示,兩根足夠長的直金屬導(dǎo)軌MN、PQ平行放置在傾角為θ的絕緣斜面上,兩導(dǎo)軌間距為L.M、P兩點(diǎn)間
接有阻值為R的電阻.一根質(zhì)量為m的均勻直金屬桿ab放在兩導(dǎo)軌上,并與導(dǎo)軌垂直.整套裝置處于磁感應(yīng)強(qiáng)度為
B的勻強(qiáng)磁場中,磁場方向垂直斜面向下.導(dǎo)軌和金屬桿的電阻可忽略.讓ab桿沿導(dǎo)軌由靜止開始下滑,導(dǎo)軌和金屬
桿接觸良好,不計(jì)它們之間的摩擦.
(1)由b向a方向看到的裝置如圖乙所示,請?jiān)诖藞D中畫出ab桿下滑過程中某時(shí)刻的受力示意圖.
(2)在加速下滑過程中,當(dāng)ab桿的速度大小為v時(shí),求此時(shí)ab桿中的電流及其加速度的大小.
(3)求在下滑過程中,ab桿可以達(dá)到的速度最大值.
答案(1)見右圖
(2)
(3)
要點(diǎn)二電磁感應(yīng)中的能量問題
即學(xué)即用
2.如圖所示,質(zhì)量為m,邊長為L的正方形線框,在有界勻強(qiáng)磁場上方h高處由靜止自由下落,線
框的總電阻為R,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場寬度為2L.線框下落過程中,ab邊始終與磁場邊
界平行且處于水平方向.已知ab邊剛穿出磁場時(shí)線框恰好做勻速運(yùn)動.求:
(1)cd邊剛進(jìn)入磁場時(shí)線框的速度.
(2)線框穿過磁場的過程中,產(chǎn)生的焦耳熱.
答案(1)(2)mg(h+3L)-
題型1電磁感應(yīng)中的能量問題
【例1】如圖所示,將邊長為a、質(zhì)量為m、電阻為R的正方形導(dǎo)線框豎直向上拋出,穿過寬度
為b、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場,磁場的方向垂直紙面向里.線框向上離開磁場時(shí)的速度剛
好是進(jìn)入磁場時(shí)速度的一半,線框離開磁場后繼續(xù)上升一段高度,然后落下并勻速進(jìn)入磁場.整個(gè)運(yùn)動過程中始終
存在著大小恒定的空氣阻力f,且線框不發(fā)生轉(zhuǎn)動.求:
(1)線框在下落階段勻速進(jìn)入磁場時(shí)的速度v2.
(2)線框在上升階段剛離開磁場時(shí)的速度v1.
(3)線框在上升階段通過磁場過程中產(chǎn)生的焦耳熱Q.
(4)線框在上升階段通過磁場過程中克服安培力做的功W.
答案(1)R(2)
(3)-(mg+f)(a+b)
(4)-(mg+f)(a+b)
題型2單金屬桿問題
【例2】如圖所示,電動機(jī)牽引一根原來靜止的、長L為1m、質(zhì)量m為0.1kg的導(dǎo)體
棒MN上升,導(dǎo)體棒的電阻R為1Ω,架在豎直放置的框架上,它們處于磁感應(yīng)強(qiáng)度B為
1T的勻強(qiáng)磁場中,磁場方向與框架平面垂直.當(dāng)導(dǎo)體棒上升h=3.8m時(shí),獲得穩(wěn)定的速
度,導(dǎo)體棒上產(chǎn)生的熱量為2J.電動機(jī)牽引棒時(shí),電壓表、電流表的讀數(shù)分別為7V、1A,電動機(jī)內(nèi)阻r為1Ω,不
計(jì)框架電阻及一切摩擦.求:
(1)棒能達(dá)到的穩(wěn)定速度.
(2)棒從靜止至達(dá)到穩(wěn)定速度所用的時(shí)間.
答案(1)2m/s(2)1s
題型3雙金屬桿問題
【例3】如圖所示,在水平臺面上鋪設(shè)兩條很長但電阻可忽略的平行導(dǎo)軌MN和PQ,導(dǎo)軌間
寬度L=0.50m.水平部分是粗糙的,置于勻強(qiáng)磁場中,磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.60T,方向豎直向
上.傾斜部分是光滑的,該處沒有磁場.直導(dǎo)線a和b可在導(dǎo)軌上滑動,質(zhì)量均為m=0.20kg,電阻均為R=0.15Ω.b
放在水平導(dǎo)軌上,a置于斜導(dǎo)軌上高h(yuǎn)=0.050m處,無初速釋放.設(shè)在運(yùn)動過程中a、b間距離足夠遠(yuǎn),且始終與導(dǎo)軌
MN、PQ接觸并垂直,回路感應(yīng)電流的磁場可忽略不計(jì).求:
(1)由導(dǎo)線和導(dǎo)軌組成回路的感應(yīng)電流最大值是多少?
(2)如果導(dǎo)線與水平導(dǎo)軌間的動摩擦因數(shù)μ=0.10,當(dāng)導(dǎo)線b的速度達(dá)到最大值時(shí),導(dǎo)線a的加速度多大?
(3)如果導(dǎo)線與水平導(dǎo)軌間光滑,回路中產(chǎn)生多少焦耳熱?
答案(1)1A(2)2m/s2(3)0.05J
題型4圖景結(jié)合
【例4】光滑平行的金屬導(dǎo)軌MN和PQ,間距L=1.0m,與水平面之間的夾角α=30°,勻強(qiáng)磁場磁感應(yīng)強(qiáng)度B=2.0T,
垂直于導(dǎo)軌平面向上,MP間接有阻值R=2.0Ω的電阻,其它電阻不計(jì),質(zhì)量m=2.0kg的金屬桿ab垂直導(dǎo)軌放置,
如圖甲所示.用恒力F沿導(dǎo)軌平面向上拉金屬桿ab,由靜止開始運(yùn)動,v—t圖象如圖乙所示,g=10m/s2,導(dǎo)軌足夠長.
求:
(1)恒力F的大小.
(2)金屬桿速度為2.0m/s時(shí)的加速度大小.
(3)根據(jù)v-t圖象估算在前0.8s內(nèi)電阻上產(chǎn)生的熱量.
答案(1)18N(2)2m/s2(3)4.12J
1.如圖所示,兩光滑平行金屬導(dǎo)軌間距為L,直導(dǎo)線MN垂直跨在導(dǎo)軌上,且與導(dǎo)軌接觸良
好,整個(gè)裝置處于垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場中,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B.電容器的電容為C,除
電阻R外,導(dǎo)軌和導(dǎo)線的電阻均不計(jì).現(xiàn)給導(dǎo)線MN一初速度,使導(dǎo)線MN向右運(yùn)動,當(dāng)電路穩(wěn)定后,MN以速度v向右
做勻速運(yùn)動時(shí)()
A.電容器兩端的電壓為零?B.電阻兩端的電壓為BLv
C.電容器所帶電荷量為CBLvD.為保持MN勻速運(yùn)動,需對其施加的拉力大小為
答案C
2.如圖所示,邊長為L的正方形導(dǎo)線框質(zhì)量為m,由距磁場H高處自由下落,其下邊ab進(jìn)入勻強(qiáng)
磁場后,線圈開始做減速運(yùn)動,直到其上邊cd剛剛穿出磁場時(shí),速度減為ab邊剛進(jìn)入磁場時(shí)
的一半,磁場的寬度也為L,則線框穿越勻強(qiáng)磁場過程中發(fā)出的焦耳熱為()
A.2mgLB.2mgL+mgHC.2mgL+mgHD.2mgL+mgH
答案C
3.兩個(gè)沿水平方向且磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B的有水平邊界的勻強(qiáng)磁場,如圖所示,磁場高度均為L.
一個(gè)框面與磁場方向垂直、質(zhì)量為m、電阻為R、邊長為L的正方形金屬框abcd,從某一高度
由靜止釋放,當(dāng)ab邊剛進(jìn)入第一個(gè)磁場時(shí),金屬框恰好做勻速直線運(yùn)動,當(dāng)ab邊下落到GH和
JK之間的某位置時(shí),又恰好開始做勻速直線運(yùn)動.整個(gè)過程中空氣阻力不計(jì).求金屬框從ab邊開始進(jìn)入第一個(gè)磁場
至剛剛到達(dá)第二個(gè)磁場下邊界JK過程中產(chǎn)生的熱量Q.
答案+2mgL
4.如圖所示,將兩條傾角θ=30°,寬度L=1m的足夠長的“U”形平行的光滑金屬導(dǎo)軌固
定在磁感應(yīng)強(qiáng)度B=1T,范圍足夠大的勻強(qiáng)磁場中,磁場方向垂直于斜面向下.用平行于
導(dǎo)軌的牽引力拉一質(zhì)量m=0.2kg,電阻R=1Ω放在導(dǎo)軌上的金屬棒ab,使之由靜止沿軌道向上運(yùn)動,牽引力的功率
恒為P=6W,當(dāng)金屬棒移動s=2.8m時(shí),獲得穩(wěn)定速度,此過程中金屬棒產(chǎn)生熱量Q=5.8J,不計(jì)導(dǎo)軌電阻及一切摩擦,取g=10m/s2.求:
(1)金屬棒達(dá)到的穩(wěn)定速度是多大?
(2)金屬棒從靜止至達(dá)到穩(wěn)定速度時(shí)所需的時(shí)間多長?
答案(1)2m/s(2)1.5s
1.在圖中除導(dǎo)體棒ab可動外,其余部分均固定不動,(a)圖中的電容器C原來不帶電,設(shè)導(dǎo)體棒、導(dǎo)軌和直流電源的
電阻均可忽略,導(dǎo)體棒和導(dǎo)軌間的摩擦也不計(jì).圖中裝置均在水平面內(nèi),且都處于方向垂直水平面(即紙面)向下的
勻強(qiáng)磁場中,導(dǎo)軌足夠長,今給導(dǎo)體棒ab一個(gè)向右的初速度v0,導(dǎo)體棒的最終運(yùn)動狀態(tài)是()
A.三種情況下,導(dǎo)體棒ab最終都是勻速運(yùn)動
B.圖(a)、(c)中ab棒最終將以不同的速度做勻速運(yùn)動;圖(b)中ab棒最終靜止
C.圖(a)、(c)中,ab棒最終將以相同的速度做勻速運(yùn)動
D.三種情況下,導(dǎo)體棒ab最終均靜止
答案B
2.如圖所示,有兩根和水平面成α角的光滑平行的金屬軌道,上端有可變電阻R,下端足夠
長,空間有垂直于軌道平面的勻強(qiáng)磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B.一質(zhì)量為m的金屬桿從軌道上
由靜止滑下,經(jīng)過足夠長的時(shí)間后,金屬桿的速度會趨于一個(gè)最大速度vm,則()
A.如果B增大,vm將變大B.如果α增大,vm將變大
C.如果R增大,vm將變大D.如果m變小,vm將變大
答案BC
3.如圖所示,固定在水平絕緣平面上足夠長的金屬導(dǎo)軌不計(jì)電阻,但表面粗糙,導(dǎo)軌左端
連接一個(gè)電阻R,質(zhì)量為m的金屬棒(電阻也不計(jì))放在導(dǎo)軌上,并與導(dǎo)軌垂直,整個(gè)
裝置放在勻強(qiáng)磁場中,磁場方向與導(dǎo)軌平面垂直.用水平恒力F把a(bǔ)b棒從靜止起向右拉動的過程中
①恒力F做的功等于電路產(chǎn)生的電能
②恒力F和摩擦力的合力做的功等于電路中產(chǎn)生的電能
③克服安培力做的功等于電路中產(chǎn)生的電能
④恒力F和摩擦力的合力做的功等于電路中產(chǎn)生的電能和棒獲得的動能之和
以上結(jié)論正確的有()
A.①②B.②③C.③④D.②④
答案C
4.如圖所示,ABCD是固定的水平放置的足夠長的U形導(dǎo)軌,整個(gè)導(dǎo)軌處于豎直向上的勻
強(qiáng)磁場中,在導(dǎo)軌上架著一根金屬棒ef,在極短時(shí)間內(nèi)給棒ef一個(gè)水平向右的速度,ef
棒開始運(yùn)動,最后又靜止在導(dǎo)軌上,則ef在運(yùn)動過程中,就導(dǎo)軌是光滑和粗糙兩種情況相比較()
A.整個(gè)回路產(chǎn)生的總熱量相等B.安培力對ef棒做的功相等
C.安培力對ef棒的沖量相等D.電流通過整個(gè)回路所做的功相等
答案A
5.(2009濟(jì)寧模擬)如圖所示,粗細(xì)均勻的電阻絲繞制的矩形導(dǎo)線框abcd處于勻強(qiáng)磁場中,另
一種材料的導(dǎo)體棒MN可與導(dǎo)線框保持良好接觸并做無摩擦滑動.當(dāng)導(dǎo)體棒MN在外力作用下
從導(dǎo)線框左端開始做切割磁感線的勻速運(yùn)動一直滑到右端的過程中,導(dǎo)線框上消耗的電功率的變化情況可能為
()
A.逐漸增大B.先增大后減小
C.先減小后增大D.先增大后減小,再增大再減小
答案BCD
6.如圖所示,一閉合金屬圓環(huán)用絕緣細(xì)線掛于O點(diǎn),將圓環(huán)拉離平衡位置并釋放,圓環(huán)擺動過程中經(jīng)
過一勻強(qiáng)磁場區(qū)域,該區(qū)域的寬度比圓環(huán)的直徑大,不計(jì)空氣阻力,則下述說法中正確的是()
A.圓環(huán)向右穿過磁場后,還能擺至原高度
B.在進(jìn)入和離開磁場時(shí),圓環(huán)中均有感應(yīng)電流
C.圓環(huán)進(jìn)入磁場后離平衡位置越近速度越大,感應(yīng)電流也越大
D.圓環(huán)最終將靜止在平衡位置
答案B
7.如圖所示,相距為d的兩水平虛線L1和L2分別是水平向里的勻強(qiáng)磁場的上下兩個(gè)邊界,磁
場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,正方形線框abcd邊長為L(Ld),質(zhì)量為m,將線框在磁場上方高
h處由靜止釋放.如果ab邊進(jìn)入磁場時(shí)的速度為v0,cd邊剛穿出磁場時(shí)的速度也為v0,則
從ab邊剛進(jìn)入磁場到cd邊剛穿出磁場的整個(gè)過程中()
A.線框中一直有感應(yīng)電流
B.線框中有一階段的加速度為重力加速度g
C.線框中產(chǎn)生的熱量為mg(d+h+L)
D.線框有一階段做減速運(yùn)動
答案BD
8.如圖甲所示,長直導(dǎo)線右側(cè)的矩形線框abcd與直導(dǎo)線位于同一平面,當(dāng)長直導(dǎo)線中的電流發(fā)生如圖乙所示的變化時(shí)
(圖中所示電流方向?yàn)檎较颍?線框中的感應(yīng)電流與線框受力情況為()
A.t1到t2時(shí)間內(nèi),線框內(nèi)電流的方向?yàn)閍bcda,線框受力向左
B.t1到t2時(shí)間內(nèi),線框內(nèi)電流的方向?yàn)閍bcda,線框受力向右
C.在t2時(shí)刻,線框內(nèi)無電流,線框不受力
D.在t3時(shí)刻,線框內(nèi)電流的方向?yàn)閍bcda,線框受力向右
答案A
9.如圖所示,閉合導(dǎo)體線框abcd從高處自由下落,落入一個(gè)有界勻強(qiáng)磁場中,從bd邊開始
進(jìn)入磁場到ac邊即將進(jìn)入磁場的這段時(shí)間里,在下圖中表示線框運(yùn)動過程中的感應(yīng)電流
—時(shí)間圖象的可能是()
答案CD
10.如圖所示,光滑的“Π”形金屬導(dǎo)體框豎直放置,質(zhì)量為m的金屬棒MN與框架接觸良好.磁
感應(yīng)強(qiáng)度分別為B1、B2的有界勻強(qiáng)磁場方向相反,但均垂直于框架平面,分別處在abcd和cdef
區(qū)域.現(xiàn)從圖示位置由靜止釋放金屬棒MN,當(dāng)金屬棒進(jìn)入磁場B1區(qū)域后,恰好做勻速運(yùn)動.以下說法中正確的是
()
A.若B2=B1,金屬棒進(jìn)入B2區(qū)域后將加速下滑
B.若B2=B1,金屬棒進(jìn)入B2區(qū)域后仍將保持勻速下滑
C.若B2B1,金屬棒進(jìn)入B2區(qū)域后將先加速后勻速下滑
D.若B2B1,金屬棒進(jìn)入B2區(qū)域后將先減速后勻速下滑
答案BCD
11.如圖所示,由7根長度都是L的金屬桿連接成的一個(gè)“日”字型的矩形金屬框abcdef,
放在紙面所在的平面內(nèi),有一個(gè)寬度也為L的勻強(qiáng)磁場,磁場邊界跟cd桿平行,磁感應(yīng)
強(qiáng)度的大小是B,方向垂直于紙面向里,金屬桿af、be、cd的電阻都為r,其他各桿的電阻不計(jì),各桿端點(diǎn)間接觸良好.現(xiàn)以速度v勻速地把金屬框從磁場的左邊界水平向右拉,從cd桿剛進(jìn)入磁場瞬間開始計(jì)時(shí),求:
(1)cd桿在磁場中運(yùn)動的過程中,通過af桿的電流.
(2)從開始計(jì)時(shí)到金屬框全部通過磁場的過程中,金屬框中電流所產(chǎn)生的總熱量Q.
答案(1)(2)
12.在拆裝某種大型電磁設(shè)備的過程中,需將設(shè)備內(nèi)部處于強(qiáng)磁場中的線圈先閉合,然后再
提升直至離開磁場.操作時(shí)通過手搖輪軸A和定滑輪O來提升線圈.假設(shè)該線圈可簡化
為水平長為L、上下寬度為d的矩形線圈,其匝數(shù)為n,總質(zhì)量為M,總電阻為R.磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B,方向垂
直紙面向里,如圖所示.開始時(shí)線圈的上邊緣與有界磁場的上邊緣平齊.若轉(zhuǎn)動手搖輪軸A,在時(shí)間t內(nèi)把線圈從圖示
位置勻速向上拉出磁場.不考慮摩擦影響,求此過程中(1)流過線圈中導(dǎo)線橫截面的電荷量.
(2)人至少要做多少功.
答案(1)(2)Mgd+
13.如圖所示,足夠長的光滑平行金屬導(dǎo)軌MN、PQ固定在一水平面上,兩導(dǎo)軌間距L=
0.2m,電阻R=0.4Ω,電容C=2mF,導(dǎo)軌上停放一質(zhì)量m=0.1kg、電阻r=0.1Ω的
金屬桿CD,導(dǎo)軌電阻可忽略不計(jì),整個(gè)裝置處于方向豎直向上、磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.5T
的勻強(qiáng)磁場中.現(xiàn)用一垂直金屬桿CD的外力F沿水平方向拉桿,使之由靜止開始向右運(yùn)動.求:
(1)若S閉合,力F恒為0.5N,CD運(yùn)動的最大速度.
(2)若S閉合,使CD以(1)問中的最大速度勻速運(yùn)動,現(xiàn)使其突然停止并保持靜止不動,當(dāng)CD停止下來后,通過
導(dǎo)體棒CD的總電荷量.
(3)若S斷開,在力F作用下,CD由靜止開始做加速度a=5m/s2的勻加速直線運(yùn)動,請寫出電壓表的讀數(shù)U隨時(shí)間
t變化的表達(dá)式.
答案(1)25m/s(2)3.2×10-3C(3)U=0.4t
知識整合演練高考
題型1感應(yīng)電流的產(chǎn)生和方向
【例1】(2008全國Ⅰ20)矩形導(dǎo)線框abcd固定在勻強(qiáng)磁場中,磁感線的方向與導(dǎo)線框所在平面垂直,規(guī)定磁場的
正方向垂直紙面向里,磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間變化的規(guī)律如圖所示.若規(guī)定順時(shí)針方向?yàn)楦袘?yīng)電流i的正方向,下列各
圖中正確的是()
答案D
題型2自感現(xiàn)象問題
【例2】(2008江蘇8)如圖所示的電路中,三個(gè)相同的燈泡a、b、c和電感L1、L2與直流電源連接,電感的電阻忽
略不計(jì),開關(guān)S從閉合狀態(tài)突然斷開時(shí),下列判斷正確的有()
A.a先變亮,然后逐漸變暗B.b先變亮,然后逐漸變暗
C.c先變亮,然后逐漸變暗D.b、c都逐漸變暗
答案AD
題型3電磁感應(yīng)與恒定電路綜合問題
【例3】(2008廣東18)如圖(a)所示,水平放置的兩根平行金屬導(dǎo)軌,間距L=0.3m,導(dǎo)軌左端連接R=0.6Ω的
電阻.區(qū)域abcd內(nèi)存在垂直于導(dǎo)軌平面B=0.6T的勻強(qiáng)磁場,磁場區(qū)域?qū)扗=0.2m.細(xì)金屬棒A1和A2用長為2D=0.4m
的輕質(zhì)絕緣桿連接,放置在導(dǎo)軌平面上,并與導(dǎo)軌垂直,每根金屬棒在導(dǎo)軌間的電阻均為r=0.3Ω,導(dǎo)軌電阻不計(jì).使
金屬棒以恒定速度v=1.0m/s沿導(dǎo)軌向右穿越磁場,計(jì)算從金屬棒A1進(jìn)入磁場(t=0)到A2離開磁場的時(shí)間內(nèi),不同
時(shí)間段通過電阻R的電流強(qiáng)度,并在圖(b)中畫出.
答案0~0.2s內(nèi),I1=0.12A;0.2s~0.4s內(nèi),I2=0A;0.4s~0.6s內(nèi),I3=0.12A.
如下圖所示?
題型四電磁感應(yīng)與力學(xué)結(jié)合的綜合問題
【例4】(2008北京22)均勻?qū)Ь€制成的單匝正方形閉合線框abcd,每邊長為L,總電阻為
R,總質(zhì)量為m.將其置于磁感強(qiáng)度為B的水平勻強(qiáng)磁場上方h處,如圖所示.線框由靜止自
由下落,線框平面保持在豎直平面內(nèi),且cd邊始終與水平的磁場邊界面平行.當(dāng)cd邊剛進(jìn)
入磁場時(shí):
(1)求線框中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小.
(2)求cd兩點(diǎn)間的電勢差大小.
(3)若此時(shí)線框加速度恰好為零,求線框下落的高度h所應(yīng)滿足的條件.
答案(1)BL(2)(3)
1.(2008全國Ⅱ21)如圖所示,一個(gè)邊長為l的正方形虛線框內(nèi)有垂直于紙面向里的
勻強(qiáng)磁場;一個(gè)邊長也為l的正方形導(dǎo)線框所在平面與磁場方向垂直;虛線框?qū)蔷€ab
與導(dǎo)線框的一條邊垂直,ba的延長線平分導(dǎo)線框.在t=0時(shí),使導(dǎo)線框從圖示位置開始以
恒定速度沿ab方向移動,直到整個(gè)導(dǎo)線框離開磁場區(qū)域.以i表示導(dǎo)線框中感應(yīng)電流的強(qiáng)度,取逆時(shí)針方向?yàn)檎?下
列表示i—t關(guān)系的圖示中,可能正確的是()
答案C
2.(2008四川17)在沿水平方向的勻強(qiáng)磁場中,有一圓形金屬線圈可繞沿其直徑的豎直軸自由轉(zhuǎn)動.開始時(shí)線圈
靜止,線圈平面與磁場方向既不平行也不垂直,所成的銳角為α.在磁場開始增強(qiáng)后的一個(gè)極短時(shí)間內(nèi),線圈平面
()
A.維持不動
B.將向使α減小的方向轉(zhuǎn)動
C.將向使α增大的方向轉(zhuǎn)動
D.將轉(zhuǎn)動,因不知磁場方向,不能確定α?xí)龃筮€是會減小
?答案B
3.(2008寧夏16)如圖所示,同一平面內(nèi)的三條平行導(dǎo)線串有兩個(gè)電阻R和r,導(dǎo)體
棒PQ與三條導(dǎo)線接觸良好,勻強(qiáng)磁場的方向垂直紙面向里.導(dǎo)體棒的電阻可忽略.當(dāng)
導(dǎo)體棒向左滑動時(shí),下列說法正確的是()
A.流過R的電流為由d到c,流過r的電流為由b到a
B.流過R的電流為由c到d,流過r的電流為由b到a
C.流過R的電流為由d到c,流過r的電流為由a到b
D.流過R的電流為由c到d,流過r的電流為由a到b
答案B
4.(2008山東22)兩根足夠長的光滑導(dǎo)軌豎直放置,間距為L,底端接阻值為R的電阻.將質(zhì)
量為m的金屬棒懸掛在一個(gè)固定的輕彈簧下端,金屬棒和導(dǎo)軌接觸良好,導(dǎo)軌所在平面與磁感
應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場垂直,如圖所示.除電阻R外其余電阻不計(jì).現(xiàn)將金屬棒從彈簧原長位置
由靜止釋放,則()
A.釋放瞬間金屬棒的加速度等于重力加速度g
B.金屬棒向下運(yùn)動時(shí),流過電阻R的電流方向?yàn)閍→b
C.金屬棒的速度為v時(shí),所受的安培力大小為F=
D.電阻R上產(chǎn)生的總熱量等于金屬棒重力勢能的減少
答案AC
5.(2008重慶18)如圖所示,粗糙水平桌面上有一質(zhì)量為m的銅質(zhì)矩形線圈,當(dāng)一豎
直放置的條形磁鐵從線圈中線AB正上方等高快速經(jīng)過時(shí),若線圈始終不動,則關(guān)于線圈
受到的支持力N及在水平方向運(yùn)動趨勢的正確判斷是()
A.N先小于mg后大于mg,運(yùn)動趨勢向左B.N先大于mg后小于mg,運(yùn)動趨勢向左
C.N先小于mg后大于mg,運(yùn)動趨勢向右D.N先大于mg后小于mg,運(yùn)動趨勢向右
答案D
6.(2008海南10)一航天飛機(jī)下有一細(xì)金屬桿,桿指向地心.若僅考慮地磁場的影響,則當(dāng)航天飛機(jī)位于赤道上空
()
A.由東向西水平飛行時(shí),金屬桿中感應(yīng)電動勢的方向一定由上向下
B.由西向東水平飛行時(shí),金屬桿中感應(yīng)電動勢的方向一定由上向下
C.沿經(jīng)過地磁極的那條經(jīng)線由南向北水平飛行時(shí),金屬桿中感應(yīng)電動勢的方向一定由下向上
D.沿經(jīng)過地磁極的那條經(jīng)線由北向南水平飛行時(shí),金屬桿中一定沒有感應(yīng)電動勢
答案AD
7.(2008天津25)磁懸浮列車是一種高速低耗的新型交通工具.它的驅(qū)動系統(tǒng)簡化為如下模型,固定在列車下端
的動力繞組可視為一個(gè)矩形純電阻金屬框,電阻為R,金屬框置于xOy平面內(nèi),長邊MN長為l平行于y軸,寬為d的
NP邊平行于x軸,如圖甲所示.列車軌道沿Ox方向,軌道區(qū)域內(nèi)存在垂直于金屬框平面的磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度B沿Ox
方向按正弦規(guī)律分布,其空間周期為λ,最大值為B0,如圖乙所示,金屬框同一長邊上各處的磁感應(yīng)強(qiáng)度相同,整個(gè)
磁場以速度v0沿Ox方向勻速平移.設(shè)在短暫時(shí)間內(nèi),MN、PQ邊所在位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化可以忽略,并
忽略一切阻力.列車在驅(qū)動系統(tǒng)作用下沿Ox方向加速度行駛,某時(shí)刻速度為v(vv0).
(1)簡要敘述列車運(yùn)行中獲得驅(qū)動力的原理.
(2)為使列車獲得最大驅(qū)動力,寫出MN、PQ邊應(yīng)處于磁場中的什么位置及λ與d之間應(yīng)滿足的關(guān)系式.
(3)計(jì)算在滿足第(2)問的條件下列車速度為v時(shí)驅(qū)動力的大小.
答案(1)由于列車速度與磁場平移速度不同,導(dǎo)致穿過金屬框的磁通量發(fā)生變化,由于電磁感應(yīng),金屬框中會產(chǎn)
生感應(yīng)電流,該電流受到的安培力即為驅(qū)動力.
(2)為使列車獲得最大驅(qū)動力,MN、PQ應(yīng)位于磁場中磁感應(yīng)強(qiáng)度同為最大值且反向的地方,這會使得金屬框所圍
面積的磁通量變化率最大,導(dǎo)致框中電流最強(qiáng),也會使得金屬框長邊中電流受到的安培力最大.因此,d應(yīng)為的奇
數(shù)倍,即
d=(2k+1)(k∈N)
(3)
8.(2008江蘇15)如圖所示,間距為l的兩條足夠長的平行金屬導(dǎo)軌與水平面的夾角為θ,導(dǎo)軌光滑且電阻忽略不
計(jì).場強(qiáng)為B的條形勻強(qiáng)磁場方向與導(dǎo)軌平面垂直,磁場區(qū)域的寬度為d1,間距為d2.兩根質(zhì)量均為m、有效電阻均
為R的導(dǎo)體棒a和b放在導(dǎo)軌上,并與導(dǎo)軌垂直.(設(shè)重力加速度為g)
(1)若a進(jìn)入第2個(gè)磁場區(qū)域時(shí),b以與a同樣的速度進(jìn)入第1個(gè)磁場區(qū)域,求b穿過第1個(gè)磁場區(qū)域中增加的動能ΔEk.
(2)若a進(jìn)入第2個(gè)磁場區(qū)域時(shí),b恰好離開第1個(gè)磁場區(qū)域;此后a離開第2個(gè)磁場區(qū)域時(shí),b又恰好進(jìn)入第2個(gè)
磁場區(qū)域,且a、b在任意一個(gè)磁場區(qū)域或無磁場區(qū)域的運(yùn)動時(shí)間均相等.求a穿過第2個(gè)磁場區(qū)域過程中,兩導(dǎo)體
棒產(chǎn)生的總焦耳熱Q.
(3)對于第(2)問所述的運(yùn)動情況,求a穿出第k個(gè)磁場區(qū)域時(shí)的速率v.
答案(1)mgd1sinθ
(2)mg(d1+d2)sinθ
(3)
9.(2008上海24)如圖所示,豎直平面內(nèi)有一半徑為r、電阻為R1、粗細(xì)均勻的光滑半
圓形金屬環(huán),在M、N處與距離為2r、電阻不計(jì)的平行光滑金屬導(dǎo)軌ME、NF相接,EF之
間接有電阻R2,已知R1=12R,R2=4R.在MN上方及CD下方有水平方向的勻強(qiáng)磁場Ⅰ和Ⅱ,
磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B.現(xiàn)有質(zhì)量為m、電阻不計(jì)的導(dǎo)體棒ab,從半圓環(huán)的最高點(diǎn)A處由靜
止下落,在下落過程中導(dǎo)體棒始終保持水平,與半圓形金屬環(huán)及軌道接觸良好,設(shè)平行導(dǎo)軌足夠長.已知導(dǎo)體棒下落
時(shí)的速度大小為v1,下落到MN處時(shí)的速度大小為v2.
(1)求導(dǎo)體棒ab從A處下落時(shí)的加速度大小.
(2)若導(dǎo)體棒ab進(jìn)入磁場Ⅱ后棒中電流大小始終不變,求磁場Ⅰ和Ⅱ之間的距離h和R2上的電功率P2.
(3)若將磁場Ⅱ的CD邊界略微下移,導(dǎo)體棒ab進(jìn)入磁場Ⅱ時(shí)的速度大小為v3,要使其在外力F作用下做勻加速直
線運(yùn)動,加速度大小為a,求所加外力F隨時(shí)間變化的關(guān)系式.
答案(1)g-(2)(3)
10.(2008全國Ⅱ24)如圖所示,一直導(dǎo)體棒質(zhì)量為m、長為l、電阻為r,其兩端放在位
于水平面內(nèi)間距也為l的光滑平行導(dǎo)軌上,并與之密接;棒左側(cè)兩導(dǎo)軌之間連接一可控制的
負(fù)載電阻(圖中未畫出);導(dǎo)軌置于勻強(qiáng)磁場中,磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B,方向垂直于導(dǎo)軌所在平面.開始時(shí),給
導(dǎo)體棒一個(gè)平行于導(dǎo)軌的初速度v0.在棒的運(yùn)動速度由v0減小至v1的過程中,通過控制負(fù)載電阻的阻值使棒中的電
流強(qiáng)度I保持恒定.導(dǎo)體棒一直在磁場中運(yùn)動.若不計(jì)導(dǎo)軌電阻,求此過程中導(dǎo)體棒上感應(yīng)電動勢的平均值和負(fù)載電
阻上消耗的平均功率.
答案
章末檢測
一、選擇題(共8小題,每小題6分,共48分)
1.如圖所示,E為電池,L是電阻可忽略不計(jì)、自感系數(shù)足夠大的線圈,D1、D2是兩個(gè)規(guī)格相
同的燈泡,S是控制電路的開關(guān).對于這個(gè)電路,下列說法中正確的是()
A.剛閉合S的瞬間,通過D1、D2的電流大小相等
?B.剛閉合S的瞬間,通過D1、D2的電流大小不等
C.閉合S待電路達(dá)到穩(wěn)定后,D1熄滅,D2比S剛閉合時(shí)亮
D.閉合S待電路達(dá)到穩(wěn)定后,再將S斷開的瞬間,D1不立即熄滅,D2立即熄滅
答案ACD
2.如圖所示,將一個(gè)正方形導(dǎo)線框ABCD置于一個(gè)范圍足夠大的勻強(qiáng)磁場中,磁場方向與其平
面垂直.現(xiàn)在AB、CD的中點(diǎn)處連接一個(gè)電容器,其上、下極板分別為a、b,讓導(dǎo)線框在勻強(qiáng)
磁場中以某一速度水平向右勻速移動,則()
A.ABCD回路中沒有感應(yīng)電流
B.A與D、B與C間有電勢差
C.電容器的a、b兩極板分別帶負(fù)電和正電
D.電容器的a、b兩極板分別帶正電和負(fù)電
答案ABD
3.兩根水平平行光滑金屬導(dǎo)軌上放置兩根與導(dǎo)軌接觸良好的金屬桿,兩金屬桿質(zhì)量相同,滑
動過程中與導(dǎo)軌保持垂直.整個(gè)裝置放在豎直向下的勻強(qiáng)磁場中,如圖所示.給金屬桿A向
右一瞬時(shí)沖量使它獲得初動量p0,在金屬桿A沿水平導(dǎo)軌向右運(yùn)動的過程中,下列動量大
小p隨時(shí)間變化的圖象正確的是()
答案A
4.如圖甲所示,一矩形線圈位于隨時(shí)間t變化的勻強(qiáng)磁場中,磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨t的變化規(guī)律如圖乙所示.以i表示線圈
中的感應(yīng)電流,以圖甲中線圈上箭頭所示方向?yàn)殡娏髡较?以垂直紙面向里的磁場方向?yàn)檎?則以下的i—t圖象中
正確的是
答案A
5.如圖是法拉第做成的世界上第一臺發(fā)電機(jī)模型的原理圖.將銅盤放在磁場中,讓磁感
線垂直穿過銅盤;圖中a、b導(dǎo)線與銅盤的中軸線處在同一平面內(nèi);轉(zhuǎn)動銅盤,就可以
使閉合電路獲得電流.若圖中銅盤半徑為L,勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,回路總電阻為R,從上往下看逆時(shí)針勻速轉(zhuǎn)
動銅盤的角速度為ω.則下列說法正確的是()
A.回路中有大小和方向做周期性變化的電流
B.回路中電流大小恒定,且等于
C.回路中電流方向不變,且從b導(dǎo)線流進(jìn)燈泡,再從a導(dǎo)線流向旋轉(zhuǎn)的銅盤
D.若將勻強(qiáng)磁場改為仍然垂直穿過銅盤的按正弦規(guī)律變化的磁場,不轉(zhuǎn)動銅盤,燈泡中也會有電流流過
答案C
6.圖中電磁線圈L的直流電阻為RL,小燈泡的電阻為R,小量程電流表G1、G2的內(nèi)阻不計(jì).
當(dāng)開關(guān)S閉合且穩(wěn)定后,電流表G1、G2的指針均偏向右側(cè)(電流表的零刻度在表盤的中
央),則當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí),下列說法中正確的是()
A.G1、G2的指針都立即回到零點(diǎn)
B.G1緩慢回到零點(diǎn),G2立即左偏,然后緩慢回到零點(diǎn)
C.G1立即回到零點(diǎn),G2緩慢回到零點(diǎn)
D.G2立即回到零點(diǎn),G1緩慢回到零點(diǎn)
答案B
7.如圖所示,線圈M和線圈P繞在同一鐵芯上.設(shè)兩個(gè)線圈中的電流方向與圖中所標(biāo)的電流方向
相同時(shí)為正.當(dāng)M中通入下列哪種電流時(shí),在線圈P中能產(chǎn)生正方向的恒定感應(yīng)電流()
答案D
8.如圖所示,AOC是光滑的金屬軌道,AO沿豎直方向,OC沿水平方向,PQ是一根金屬直桿立在
導(dǎo)軌上,直桿從圖示位置由靜止開始在重力作用下運(yùn)動,運(yùn)動過程中Q端始終在OC上,P端始
終在AO上,直到完全落在OC上.空間存在著垂直紙面向外的勻強(qiáng)磁場.則在PQ棒滑動的過程中,下列結(jié)論正確的
是()
A.感應(yīng)電流的方向始終是由P→QB.感應(yīng)電流的方向先是P→Q,再是Q→P
C.PQ受磁場力的方向垂直棒向左D.PQ受磁場力的方向垂直棒先向右后向左
答案B
二、計(jì)算論述題(共4小題,共52分,其中9、10小題各12分,11、12小題各14分)
9.如圖所示,把總電阻為2R的均勻電阻絲焊接成一半徑為a的圓環(huán),水平固定在豎直向下的
磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中,一長度為2a、電阻等于R、粗細(xì)均勻的金屬棒MN放在圓
環(huán)上,與圓環(huán)始終保持良好的接觸.當(dāng)金屬棒以恒定速度v向右移動,且經(jīng)過圓心時(shí),求:
(1)棒上電流的大小和方向及棒兩端的電壓UMN.
(2)在圓環(huán)和金屬棒上消耗的總功率.
答案(1)N→MBav
(2)
10.一個(gè)質(zhì)量為m、直徑為d、電阻為R的金屬圓環(huán),在范圍足夠大的磁場中豎直向下落,磁場的分布情況如圖所示.
已知磁感應(yīng)強(qiáng)度豎直方向分量By的大小只隨高度y變化,其隨高度y變化關(guān)系為By=B0(1+ky)(此處k為比例常數(shù),
且k0),其中沿圓環(huán)軸線的磁場方向始終豎直向上.金屬圓環(huán)在下落過程中的環(huán)面始終保持水平,速度越來越大,
最終穩(wěn)定為某一數(shù)值,稱為收尾速度.求:
(1)圓環(huán)中感應(yīng)電流方向.
(2)圓環(huán)收尾速度的大小.
答案(1)順時(shí)針(俯視觀察)
(2)
11.如圖甲所示,在勻強(qiáng)磁場中,放置一邊長L=10cm、電阻r=1Ω、共100匝的正方形線圈,與它相連的電路中,電阻
R1=4Ω,R2=5Ω,電容C=10μF.磁場方向與線圈平面成30°角,磁感應(yīng)強(qiáng)度變化如圖乙所示,開關(guān)K在t0=0時(shí)閉合,
在t2=1.5s時(shí)又?jǐn)嚅_.求:
(1)t1=1s時(shí),R2中電流強(qiáng)度的大小及方向.
(2)K斷開后,通過R2的電荷量.
答案(1)0.025A方向從右向左(2)1.25×10-6C
12.如圖甲所示,兩根足夠長的平行金屬導(dǎo)軌M、N相距L,放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中,磁場方向垂直紙面向
里,導(dǎo)軌M、N分別與相距為d水平放置的兩平行金屬板連接.金屬桿ab跟金屬導(dǎo)軌M、N接觸,并在其上勻速運(yùn)
動時(shí),質(zhì)量為m、帶電荷量為+q的微粒在平行板間運(yùn)動的v—t圖象如圖乙所示(取向上為正).
(1)求0時(shí)刻金屬桿ab的速度大小及運(yùn)動方向.
(2)判斷t1~t2時(shí)間內(nèi)金屬桿ab的運(yùn)動狀況.
答案(1)運(yùn)動方向向左
(2)t1~t2時(shí)間內(nèi),金屬桿ab以更大的速度向左做勻速運(yùn)動
20xx高考物理復(fù)習(xí)電磁感應(yīng)中的動力學(xué)和能量問題學(xué)案
微專題14電磁感應(yīng)中的動力學(xué)和能量問題
電磁感應(yīng)中的動力學(xué)問題
1.題型簡述:感應(yīng)電流在磁場中受到安培力的作用,因此電磁感應(yīng)問題往往跟力學(xué)問題聯(lián)系在一起.解決這類問題需要綜合應(yīng)用電磁感應(yīng)規(guī)律(法拉第電磁感應(yīng)定律、楞次定律)及力學(xué)中的有關(guān)規(guī)律(共點(diǎn)力的平衡條件、牛頓運(yùn)動定律、動能定理等).
2.兩種狀態(tài)及處理方法
狀態(tài)特征處理方法
平衡態(tài)加速度為零根據(jù)平衡條件列式分析
非平衡態(tài)加速度不為零根據(jù)牛頓第二定律進(jìn)行動態(tài)分析或結(jié)合功能關(guān)系進(jìn)行分析
3.動態(tài)分析的基本思路
解決這類問題的關(guān)鍵是通過運(yùn)動狀態(tài)的分析,尋找過程中的臨界狀態(tài),如速度、加速度最大值或最小值的條件.具體思路如下:
Ⅰ.電磁感應(yīng)中的平衡問題
(20xx全國甲卷)如圖,兩固定的絕緣斜面傾角均為θ,上沿相連.兩細(xì)金屬棒ab(僅標(biāo)出a端)和cd(僅標(biāo)出c端)長度均為L,質(zhì)量分別為2m和m;用兩根不可伸長的柔軟輕導(dǎo)線將它們連成閉合回路abdca,并通過固定在斜面上沿的兩光滑絕緣小定滑輪跨放在斜面上,使兩金屬棒水平.右斜面上存在勻強(qiáng)磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B,方向垂直于斜面向上.已知兩根導(dǎo)線剛好不在磁場中,回路電阻為R,兩金屬棒與斜面間的動摩擦因數(shù)均為μ,重力加速度大小為g.已知金屬棒ab勻速下滑.求
(1)作用在金屬棒ab上的安培力的大小;
(2)金屬棒運(yùn)動速度的大小.
解析:(1)設(shè)導(dǎo)線的張力的大小為T,右斜面對ab棒的支持力的大小為N1,作用在ab棒上的安培力的大小為F,左斜面對cd棒的支持力大小為N2.對于ab棒,由力的平衡條件得2mgsinθ=μN(yùn)1+T+F①
N1=2mgcosθ②
對于cd棒,同理有mgsinθ+μN(yùn)2=T③
N2=mgcosθ④
聯(lián)立①②③④式得F=mg(sinθ-3μcosθ)⑤
(2)由安培力公式得F=BIL⑥
這里I是回路abdca中的感應(yīng)電流,ab棒上的感應(yīng)電動勢為E=BLv⑦
式中,v是ab棒下滑速度的大?。蓺W姆定律得I=ER⑧
聯(lián)立⑤⑥⑦⑧式得v=(sinθ-3μcosθ)mgRB2L2⑨
答案:(1)mg(sinθ-3μcosθ)
(2)(sinθ-3μcosθ)mgRB2L2
對金屬棒正確進(jìn)行受力分析和運(yùn)動過程分析是解題的關(guān)鍵.
如圖,兩個(gè)傾角均為θ=37°的絕緣斜面,頂端相同,斜面上分別固定著一個(gè)光滑的不計(jì)電阻的U型導(dǎo)軌,導(dǎo)軌寬度都是L=1.0m,底邊分別與開關(guān)S1、S2連接,導(dǎo)軌上分別放置一根和底邊平行的金屬棒a和b,a的電阻R1=10.0Ω、質(zhì)量m1=2.0kg,b的電阻R2=8.0Ω、質(zhì)量m2=1.0kg.U型導(dǎo)軌所在空間分別存在著垂直斜面向上的勻強(qiáng)磁場,大小分別為B1=1.0T,B2=2.0T,輕細(xì)絕緣線繞過斜面頂端很小的光滑定滑輪連接兩金屬棒的中點(diǎn),細(xì)線與斜面平行,兩導(dǎo)軌足夠長,sin37°=0.6,cos37°=0.8,g=10.0m/s2.開始時(shí),開關(guān)S1、S2都斷開,輕細(xì)絕緣線繃緊,金屬棒a和b在外力作用下處于靜止?fàn)顟B(tài).求:
(1)撤去外力,兩金屬棒的加速度多大?
(2)同時(shí)閉合開關(guān)S1、S2,求金屬棒a、b運(yùn)動過程中達(dá)到的最大速度?
解析:(1)設(shè)撤去外力,線拉力為T,兩金屬棒的加速度大小相等,設(shè)為a,
則m1gsinθ-T=m1a
T-m2gsinθ=m2a
解得a=2m/s2
(2)a、b達(dá)到速度最大時(shí),速度相等,設(shè)為v,此時(shí)線拉力為T1,a中感應(yīng)電動勢為E1,電流為I1,b中感應(yīng)電動勢為E2,電流為I2,則
E1=B1lv,I1=E1R1;E2=B2lv,I2=E2R2,
又m1gsinθ-T1-B1I1l=0
T1-m2gsinθ-B2I2l=0
聯(lián)立解得v=10m/s
答案:(1)2m/s2(2)10m/s
Ⅱ.電磁感應(yīng)中的非平衡問題
如圖所示,光滑的平行金屬導(dǎo)軌水平放置,電阻不計(jì),導(dǎo)軌間距為l,左側(cè)接一阻值為R的電阻.區(qū)域cdef內(nèi)存在垂直軌道平面向下的有界勻強(qiáng)磁場,磁場寬度為s.一質(zhì)量為m、有效電阻為r的金屬棒MN置于導(dǎo)軌上,與導(dǎo)軌垂直且接觸良好,受到F=0.5v+0.4(N)(v為金屬棒速度)的水平外力作用,從磁場的左邊界由靜止開始運(yùn)動,測得電阻兩端電壓隨時(shí)間均勻增大.(已知:l=1m,m=1kg,R=0.3Ω,r=0.2Ω,s=1m)
(1)判斷該金屬棒在磁場中是否做勻加速直線運(yùn)動?簡要說明理由;
(2)求加速度的大小和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的大小;
(3)若撤去外力后棒的速度v隨位移x的變化規(guī)律滿足v=v0-B2l2mR+rx,且棒在運(yùn)動到ef處時(shí)恰好靜止,則外力F作用的時(shí)間為多少?
解析:(1)是.
R兩端電壓U∝I∝E∝v,U隨時(shí)間均勻增大,即v隨時(shí)間均勻增大,所以加速度為恒量.
(2)E=BlvI=ER+rF安=BIl
F-F安=ma,
將F=0.5v+0.4代入,得:
0.5-B2l2R+rv+0.4=a
因?yàn)榧铀俣葹楹懔浚cv無關(guān),所以a=0.4m/s2
0.5-B2l2R+r=0,代入數(shù)據(jù)得:B=0.5T.
(3)設(shè)外力F作用時(shí)間為t,則
x1=12at2v0=at
x2=mR+rB2l2v0x1+x2=s,
代入數(shù)據(jù)得0.2t2+0.8t-1=0
解方程得t=1s或t=-5s(舍去).
答案:(1)是(2)0.4m/s20.5T(3)1s
如圖,足夠長的光滑導(dǎo)軌固定在水平面內(nèi),間距L=1m,電阻不計(jì),定值電阻R=1.5Ω.質(zhì)量m=0.25kg、長度L=1m、電阻r=0.5Ω的導(dǎo)體棒AB靜置在導(dǎo)軌上.現(xiàn)對導(dǎo)體棒施加一個(gè)平行于導(dǎo)軌、大小為F=1.25N的恒力,使得導(dǎo)體棒由靜止開始運(yùn)動.當(dāng)棒運(yùn)動到虛線位置時(shí)速度達(dá)到v0=2m/s.虛線右側(cè)有一非勻強(qiáng)磁場,導(dǎo)體棒在里面運(yùn)動時(shí),所到位置的速度v(單位m/s)與該處磁感應(yīng)強(qiáng)度B(單位T)在數(shù)值上恰好滿足關(guān)系v=12B2,重力加速度g取10m/s2.
(1)求導(dǎo)體棒剛進(jìn)入磁場時(shí),流經(jīng)導(dǎo)體棒的電流大小和方向;
(2)導(dǎo)體棒在磁場中是否做勻加速直線運(yùn)動?若是,給出證明并求出加速度大小;若不是,請說明理由;
(3)求導(dǎo)體棒在磁場中運(yùn)動了t=1s的時(shí)間內(nèi),定值電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱.
解析:(1)當(dāng)v0=2m/s時(shí),B0=0.5T
感應(yīng)電動勢E0=B0Lv0=1V
感應(yīng)電流I0=E0R+r=0.5A
方向由B向A
(2)速度為v時(shí),磁感應(yīng)強(qiáng)度為B
感應(yīng)電動勢E=BLv,感應(yīng)電流I=ER+r,安培力FA=BIL
得到FA=B2L2vR+r
由題,B2v=0.5T2m/s,則安培力FA=0.25N,導(dǎo)體棒所受合力F合=F-FA=1N,為恒力,所以做勻加速直線運(yùn)動.
由F合=ma,可得a=4m/s2
(3)t=1s時(shí),導(dǎo)體棒的速度v=v0+at=6m/s
t=1s內(nèi),導(dǎo)體棒的位移s=v0t+12at2=4m
由動能定理,F(xiàn)s-W克安=12mv2-12mv20
由功能關(guān)系,W克安=Q
定值電阻R上的焦耳熱QR=RR+rQ
代入數(shù)據(jù),QR=0.75J
答案:(1)0.5A由B到A(2)是4m/s2(3)0.75J
1.(多選)如圖所示,在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B、方向豎直向下的勻強(qiáng)磁場中,有一水平放置的U形導(dǎo)軌,導(dǎo)軌左端連接一阻值為R的電阻,導(dǎo)軌電阻不計(jì).導(dǎo)軌間距離為L,在導(dǎo)軌上垂直放置一根金屬棒MN,與導(dǎo)軌接觸良好,電阻為r,用外力拉著金屬棒向右以速度v做勻速運(yùn)動.則金屬棒運(yùn)動過程中()
A.金屬棒中的電流方向?yàn)橛蒒到M
B.電阻R兩端的電壓為BLv
C.金屬棒受到的安培力大小為B2L2vr+R
D.電阻R產(chǎn)生焦耳熱的功率為B2L2vR
解析:選AC由右手定則判斷得知金屬棒MN中的電流方向?yàn)橛蒒到M,故A正確;MN產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為E=BLv,回路中的感應(yīng)電流大小為I=Er+R=BLvR+r,則電阻R兩端的電壓為U=IR=BLvRR+r,故B錯(cuò)誤;金屬棒MN受到的安培力大小為F=BIL=B2L2vR+r,故C正確;電阻R產(chǎn)生焦耳熱的功率為P=I2R=BLvR+r2RB2L2v2RR+r2,故D錯(cuò)誤.
2.如圖1所示,兩相距L=0.5m的平行金屬導(dǎo)軌固定于水平面上,導(dǎo)軌左端與阻值R=2Ω的電阻連接,導(dǎo)軌間虛線右側(cè)存在垂直導(dǎo)軌平面的勻強(qiáng)磁場.質(zhì)量m=0.2kg的金屬桿垂直置于導(dǎo)軌上,與導(dǎo)軌接觸良好,導(dǎo)軌與金屬桿的電阻可忽略.桿在水平向右的恒定拉力作用下由靜止開始運(yùn)動,并始終與導(dǎo)軌垂直,其v-t圖象如圖2所示.在15s末時(shí)撤去拉力,同時(shí)使磁場隨時(shí)間變化,從而保持回路磁通量不變,桿中電流為零.求:
(1)金屬桿所受拉力的大小F;
(2)0-15s內(nèi)勻強(qiáng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度大??;
(3)撤去恒定拉力之后,磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律.
解析:(1)10s內(nèi)金屬桿未進(jìn)入磁場,
所以有F-μmg=ma1
由圖可知a1=0.4m/s2
15s~20s內(nèi)僅在摩擦力作用下運(yùn)動,
由圖可知a2=0.8m/s2,解得F=0.24N
(2)在10s~15s時(shí)間段桿在磁場中做勻速運(yùn)動.
因此有F=μmg+B20L2vR
以F=0.24N,μmg=0.16N代入解得B0=0.4T.
(3)撤去恒定拉力之后通過回路的磁通量不變,設(shè)桿在磁場中勻速運(yùn)動距離為d,撤去外力后桿運(yùn)動的距離為x,
BL(d+x)=B0Ld,
其中d=20m,x=4t-0.4t2
由此可得B=2050+10t-t2T.
答案:(1)0.24N(2)0.4T
(3)B=2050+10t-t2T
3.(20xx全國甲卷)如圖,水平面(紙面)內(nèi)間距為l的平行金屬導(dǎo)軌間接一電阻,質(zhì)量為m、長度為l的金屬桿置于導(dǎo)軌上.t=0時(shí),金屬桿在水平向右、大小為F的恒定拉力作用下由靜止開始運(yùn)動.t0時(shí)刻,金屬桿進(jìn)入磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B、方向垂直于紙面向里的勻強(qiáng)磁場區(qū)域,且在磁場中恰好能保持勻速運(yùn)動.桿與導(dǎo)軌的電阻均忽略不計(jì),兩者始終保持垂直且接觸良好,兩者之間的動摩擦因數(shù)為μ.重力加速度大小為g.求:
(1)金屬桿在磁場中運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生的電動勢的大小;
(2)電阻的阻值.
解析:(1)設(shè)金屬桿進(jìn)入磁場前的加速度大小為a,由牛頓第二定律得ma=F-μmg①
設(shè)金屬桿到達(dá)磁場左邊界時(shí)的速度為v,由運(yùn)動學(xué)公式有v=at0②
當(dāng)金屬桿以速度v在磁場中運(yùn)動時(shí),由法拉第電磁感應(yīng)定律可知,桿中的電動勢E=Blv③
聯(lián)立①②③式可得E=Blt0(Fm-μg)④
(2)設(shè)金屬桿在磁場區(qū)域中勻速運(yùn)動時(shí),金屬桿中的電流為I,根據(jù)歐姆定律I=ER⑤
式中R為電阻的阻值,金屬桿所受的安培力為f=BIl⑥
因金屬桿做勻速運(yùn)動,由牛頓運(yùn)動定律得F-μmg-f=0⑦
聯(lián)立④⑤⑥⑦式得R=B2l2t0m.
答案:(1)Blt0(Fm-μg)(2)B2l2t0m
電磁感應(yīng)中能量問題
1.題型簡述:電磁感應(yīng)過程的實(shí)質(zhì)是不同形式的能量轉(zhuǎn)化的過程,而能量的轉(zhuǎn)化是通過安培力做功來實(shí)現(xiàn)的.安培力做功的過程,是電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能的過程;外力克服安培力做功的過程,則是其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能的過程.
2.解題的一般步驟
(1)確定研究對象(導(dǎo)體棒或回路);
(2)弄清電磁感應(yīng)過程中,哪些力做功,哪些形式的能量相互轉(zhuǎn)化;
(3)根據(jù)能量守恒定律或功能關(guān)系列式求解.
3.求解電能應(yīng)分清兩類情況
(1)若回路中電流恒定,可以利用電路結(jié)構(gòu)及W=UIt或Q=I2Rt直接進(jìn)行計(jì)算.
(2)若電流變化,則
①利用安培力做功求解:電磁感應(yīng)中產(chǎn)生的電能等于克服安培力所做的功;
②利用能量守恒求解:若只有電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)化,則減少的機(jī)械能等于產(chǎn)生的電能.
Ⅰ.動能定理和能量守恒定律在電磁感應(yīng)中的應(yīng)用
如圖所示,一個(gè)“U”形金屬導(dǎo)軌靠絕緣的墻壁水平放置,導(dǎo)軌長L=1.4m,寬d=0.2m.一對長L1=0.4m的等寬金屬導(dǎo)軌靠墻傾斜放置,與水平導(dǎo)軌成θ角平滑連接,θ角可在0°~60°調(diào)節(jié)后固定.水平導(dǎo)軌的左端長L2=0.4m的平面區(qū)域內(nèi)有勻強(qiáng)磁場,方向水平向左,磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B0=2T.水平導(dǎo)軌的右端長L3=0.5m的區(qū)域有豎直向下的勻強(qiáng)磁場B,磁感應(yīng)強(qiáng)度大小隨時(shí)間以ΔBΔt=1.0T/s均勻變大.一根質(zhì)量m=0.04kg的金屬桿MN從斜軌的最上端靜止釋放,金屬桿與斜軌間的動摩擦因數(shù)μ1=0.125,與水平導(dǎo)軌間的動摩擦因數(shù)μ2=0.5.金屬桿電阻R=0.08Ω,導(dǎo)軌電阻不計(jì).
(1)求金屬桿MN上的電流大小,并判斷方向;
(2)金屬桿MN從斜軌滑下后停在水平導(dǎo)軌上,求θ角多大時(shí)金屬桿所停位置與墻面的距離最大,并求此最大距離xm.
解析:(1)由法拉第電磁感應(yīng)定律,則有:E=ΔΦΔt=ΔBΔtdL3
由閉合電路歐姆定律得:I=ER
由上式,可得MN棒上的電流大?。篒=1.25A
根據(jù)右手定則,則MN棒上的電流方向:N→M;
(2)設(shè)導(dǎo)體棒滑出水平磁場后繼續(xù)滑行x后停下,
由動能定理得:mgL1sinθ-μ1mgL1cosθ-μ2(mg+B0Id)
(L2-L1cosθ)-μ2mgx=0
代入數(shù)據(jù)得:
0.16sinθ+0.16cosθ-0.18=0.2x
當(dāng)θ=45°時(shí),x最大,
解得:x=0.82-0.9=0.23m
則有:xm=L2+x=0.63m.
答案:(1)1.25N由N→M(2)45°0.63m
能量轉(zhuǎn)化問題的分析程序:先電后力再能量
如圖所示,傾角30°的光滑傾斜導(dǎo)體軌道(足夠長)與光滑水平導(dǎo)體軌道連接,軌道寬度均為L=1m,電阻忽略不計(jì).勻強(qiáng)磁場Ⅰ僅分布在水平軌道平面所在區(qū)域,方向水平向右,大小B1=1T;勻強(qiáng)磁場Ⅱ僅分布在傾斜軌道平面所在區(qū)域,方向垂直于傾斜軌道平面向下,大小B2=1T.現(xiàn)將兩質(zhì)量均為m=0.2kg,電阻均為R=0.5Ω的相同導(dǎo)體棒ab和cd,垂直于軌道分別置于水平軌道上和傾斜軌道上,并同時(shí)由靜止釋放.取g=10m/s2.
(1)求導(dǎo)體棒cd沿斜軌道下滑的最大速度的大??;
(2)若已知從開始運(yùn)動到cd棒達(dá)到最大速度的過程中,ab棒產(chǎn)生的焦耳熱Q=0.45J,求該過程中通過cd棒橫截面的電荷量;
(3)若已知cd棒開始運(yùn)動時(shí)距水平軌道高度h=10m,cd棒由靜止釋放后,為使cd棒中無感應(yīng)電流,可讓磁場Ⅱ的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間變化,將cd棒開始運(yùn)動的時(shí)刻記為t=0,此時(shí)磁場Ⅱ的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0=1T,試求cd棒在傾斜軌道上下滑的這段時(shí)間內(nèi),磁場Ⅱ的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間t變化的關(guān)系式.
解析:(1)cd棒勻速運(yùn)動時(shí)速度最大,設(shè)為vm,棒中感應(yīng)電動勢為E,電流為I,
感應(yīng)電動勢:E=BLvm,電流:I=E2R,
由平衡條件得:mgsinθ=BIL,代入數(shù)據(jù)解得:vm=1m/s;
(2)設(shè)cd從開始運(yùn)動到達(dá)最大速度的過程中經(jīng)過的時(shí)間為t,通過的距離為x,cd棒中平均感應(yīng)電動勢E1,平均電流為I1,通過cd棒橫截面的電荷量為q,
由能量守恒定律得:mgxsinθ=12mv2m+2Q,
電動勢:E1=BLxt,電流:I1=E12R,電荷量:q=I1t,
代入數(shù)據(jù)解得:q=1C;
(3)設(shè)cd棒開始運(yùn)動時(shí)穿過回路的磁通量為Φ0,cd棒在傾斜軌道上下滑的過程中,設(shè)加速度大小為a,經(jīng)過時(shí)間t通過的距離為x1,穿過回路的磁通量為Φ,cd棒在傾斜軌道上下滑時(shí)間為t0,則:Φ0=B0Lhsinθ,
加速度:a=gsinθ,位移:x1=12at2,Φ=BLhsinθ-x1,hsinθ=12at20.
解得:t0=8s,
為使cd棒中無感應(yīng)電流,必須有:Φ0=Φ,
解得:B=88-t2(t<8s).
答案:(1)1m/s(2)1C(3)B=88-t2(t<8s)
Ⅱ.動量定理和動量守恒定律在電磁感應(yīng)中的應(yīng)用
(20xx江西師大附中試卷)如圖所示,兩足夠長且不計(jì)其電阻的光滑金屬軌道,如圖所示放置,間距為d=1m,在左端斜軌道部分高h(yuǎn)=1.25m處放置一金屬桿a,斜軌道與平直軌道區(qū)域以光滑圓弧連接,在平直軌道右端放置另一金屬桿b,桿a、b電阻Ra=2Ω、Rb=5Ω,在平直軌道區(qū)域有豎直向上的勻強(qiáng)磁場,磁感強(qiáng)度B=2T.現(xiàn)桿b以初速度v0=5m/s開始向左滑動,同時(shí)由靜止釋放桿a,桿a由靜止滑到水平軌道的過程中,通過桿b的平均電流為0.3A;從a下滑到水平軌道時(shí)開始計(jì)時(shí),a、b桿運(yùn)動速度-時(shí)間圖象如圖所示(以a運(yùn)動方向?yàn)檎?,其中ma=2kg,mb=1kg,g=10m/s2,求:
(1)桿a在斜軌道上運(yùn)動的時(shí)間;
(2)桿a在水平軌道上運(yùn)動過程中通過其截面的電量;
(3)在整個(gè)運(yùn)動過程中桿b產(chǎn)生的焦耳熱.
解析:(1)對b棒運(yùn)用動量定理,有:
BdI-Δt=mb(v0-vb0)
其中vb0=2m/s
代入數(shù)據(jù)得到:Δt=5s
即桿在斜軌道上運(yùn)動時(shí)間為5s;
(2)對桿a下滑的過程中,機(jī)械能守恒:mgh=12mav2a
va=2gh=5m/s
最后兩桿共同的速度為v′,由動量守恒得
mava+mbvb=(ma+mb)v′
代入數(shù)據(jù)計(jì)算得出v′=83m/s
桿a動量變化等于它所受安培力的沖量,由動量定理可得I安=BIdΔt′=mava-mav′
而q=IΔt′
由以上公式代入數(shù)據(jù)得q=73C
(3)由能量守恒得,共產(chǎn)生的焦耳熱為Q=magh+12mbv20-12(ma+mb)v′2=1616J
b棒中產(chǎn)生的焦耳熱為Q′=52+5Q=1156J.
答案:(1)5s(2)73C(3)1156J
如圖所示,傾斜的金屬導(dǎo)軌和水平的金屬導(dǎo)軌接在一起,各自的兩條平行軌道之間距離都為d,傾斜導(dǎo)軌與水平面間的夾角為30°,在傾斜導(dǎo)軌的區(qū)域有垂直于軌道平面斜向上的勻強(qiáng)磁場,在水平導(dǎo)軌的區(qū)域有豎直向上的勻強(qiáng)磁場,磁感應(yīng)強(qiáng)度大小都為B,傾斜導(dǎo)軌上放有金屬棒a,在緊靠兩導(dǎo)軌連接處的水平導(dǎo)軌上放有金屬棒b,a、b都垂直于各自的軌道,a質(zhì)量為m,b質(zhì)量為2m,a、b與水平的金屬導(dǎo)軌間的動摩擦因數(shù)是μ,傾斜的金屬導(dǎo)軌光滑.傾斜軌道間接有電阻R,a、b的電阻值都是R,其余電阻不計(jì).開始時(shí),a固定,b靜止,且a距水平導(dǎo)軌平面的高度為h,現(xiàn)釋放a,同時(shí)給a一個(gè)平行于傾斜導(dǎo)軌向下的初速度,a就在傾斜導(dǎo)軌上做勻速運(yùn)動,經(jīng)過兩導(dǎo)軌的連接處時(shí)速度大小不變,在此過程中b仍然靜止,滑上水平導(dǎo)軌后即與b金屬棒粘在一起,在水平導(dǎo)軌上運(yùn)動距離L后靜止.求:
(1)a在傾斜導(dǎo)軌上勻速運(yùn)動的速度v0大小?
(2)a在傾斜導(dǎo)軌上運(yùn)動的過程中,金屬棒a上產(chǎn)生的熱量Q是多大?
(3)a、b一起在水平導(dǎo)軌上運(yùn)動的過程中,電阻R上產(chǎn)生的熱量QR是多大?
解析:(1)設(shè)在傾斜導(dǎo)軌上運(yùn)動的過程中,感應(yīng)電動勢為E,其中的電流強(qiáng)度為Ia,受到的磁場力為F,則
E=Bdv0,R總=32R
Ia=E/R總,Ia=2Bdv03R
F=BIad,F(xiàn)=2B2d2v03R
由于a在傾斜導(dǎo)軌上做勻速運(yùn)動,所以所受的合外力為零,則:
F=mgsin30°
解得:v0=3mgR4B2d2
(2)a在傾斜導(dǎo)軌上運(yùn)動的過程中,設(shè)a、b和電阻R中的電流強(qiáng)度分別是Ia、Ib和IR,產(chǎn)生的熱量分別是Qa、Qb和Q1,則
Ia=2IRIb=IR
由:Q=I2Rt得
Qa=4Q1,Qb=Q1
根據(jù)能量守恒有:mgh=Qa+Qb+Q1
Q1=16mgh,所以Qa=23mgh
(3)設(shè)a、b粘在一起的共同速度為v,由動量守恒定律則有:
mv0=3mv
ab在水平軌道上運(yùn)動過程,克服摩擦力做功W,則
W=μ3mgL
設(shè)電流流過a、b產(chǎn)生的熱量共為Qab,則有:
Qab=12QR
根據(jù)能量守恒定律得:12×3mv2=QR+Qab+W
得:QR等于電阻R上產(chǎn)生的熱量QR=9m3g2R216B4d4-2μmgL
答案:(1)3mgR4B2d2(2)23mgh(3)9m3g2R216B4d4-2μmgL
4.(20xx東北三省四市教研聯(lián)合體模擬考試)(多選)如圖所示,平行導(dǎo)軌放在斜面上,勻強(qiáng)磁場垂直于斜面向上,恒力F拉動金屬桿ab從靜止開始沿導(dǎo)軌向上滑動,接觸良好,導(dǎo)軌光滑.從靜止開始到ab桿達(dá)到最大速度的過程中,恒力F做功為W,ab桿克服重力做功為W1,ab桿克服安培力做功為W2,ab桿動能的增加量為ΔEk,電路中產(chǎn)生的焦耳熱為Q,ab桿重力勢能增加量為ΔEp,則()
A.W=Q+W1+W2+ΔEk+ΔEp
B.W=Q+W1+W2+ΔEk
C.W=Q+ΔEk+ΔEp
D.W2=Q,W1=ΔEp
解析:選CD功是能量轉(zhuǎn)化的量度,做功的過程就是能量轉(zhuǎn)化的過程.力F做的功導(dǎo)致內(nèi)能的增加、桿動能的增加和重力勢能的增加,所以有W=Q+ΔEk+ΔEp,選項(xiàng)AB錯(cuò)誤,C正確;克服重力做的功等于桿重力勢能的增加量,即W1=ΔEp,克服安培力做的功等于電路產(chǎn)生的焦耳熱,即W2=Q,選項(xiàng)D正確.
5.(20xx成都二診)如圖所示,水平面上固定著兩根相距L且電阻不計(jì)的足夠長的光滑金屬導(dǎo)軌,導(dǎo)軌處于方向豎直向下、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中,銅棒a、b的長度均等于兩導(dǎo)軌的間距、電阻均為R、質(zhì)量均為m,銅棒平行地靜止在導(dǎo)軌上且與導(dǎo)軌接觸良好.現(xiàn)給銅棒a一個(gè)平行導(dǎo)軌向右的瞬時(shí)沖量I,關(guān)于此后的過程,下列說法正確的是()
A.回路中的最大電流為BLImR
B.銅棒b的最大加速度為B2L2I2m2R
C.銅棒b獲得的最大速度為Im
D.回路中產(chǎn)生的總焦耳熱為I22m
解析:選B給銅棒a一個(gè)平行導(dǎo)軌的瞬時(shí)沖量I,此時(shí)銅棒a的速度最大,產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢最大,回路中電流最大,每個(gè)棒受到的安培力最大,其加速度最大,I=mv0,v0=Im,銅棒a電動勢E=BLv0,回路電流I=E2R=BLI2mR,選項(xiàng)A錯(cuò)誤;此時(shí)銅棒b受到安培力F=BIL,其加速度a=Fm=IB2L22Rm2,選項(xiàng)B正確;此后銅棒a做變減速運(yùn)動,銅棒b做變加速運(yùn)動,當(dāng)二者達(dá)到共同速度時(shí),銅棒b速度最大,據(jù)動量守恒,mv0=2mv,銅棒b最大速度v=I2m,選項(xiàng)C錯(cuò)誤;回路中產(chǎn)生的焦耳熱Q=12mv20-122mv2=I24m,選項(xiàng)D錯(cuò)誤.
6.如圖,足夠長的光滑平行導(dǎo)軌水平放置,電阻不計(jì),MN部分的寬度為2l,PQ部分的寬度為l,金屬棒a和b的質(zhì)量ma=2mb=2m,其電阻大小Ra=2Rb=2R,a和b分別在MN和PQ上,垂直導(dǎo)軌相距足夠遠(yuǎn),整個(gè)裝置處于豎直向下的勻強(qiáng)磁場中,磁感強(qiáng)度為B,開始a棒向右速度為v0,b棒靜止,兩棒運(yùn)動時(shí)始終保持平行且a總在MN上運(yùn)動,b總在PQ上運(yùn)動,求a、b最終的速度.
解析:本題由于兩導(dǎo)軌的寬度不等,a、b系統(tǒng)動量不守恒,可對a、b分別用動量定理,a、b運(yùn)動產(chǎn)生感應(yīng)電流,a、b在安培力的作用下,分別作減速和加速運(yùn)動.回路中電動勢E總=Ea-Eb=2Blva-Blvb,
隨著va減小,vb增加,E總減小,安培力F=E總lB/(3R)也隨之減小,故a棒的加速度a=Fa/(2m)減小,b棒的加速度a′=Fb/m也減小.
當(dāng)E總=0,即2Blva=Blvb時(shí),兩者加速度為零,兩棒均勻速運(yùn)動,且有vb=2va①
對a、b分別用動量定理-Fat=2m(va-vb)②
Fbt=mvb③
而Fa=2Fb④
聯(lián)立以上各式可得:va=v03,vb=2v03.
答案:v0323v0
20xx高考物理復(fù)習(xí)微專題08動力學(xué)動量和能量觀點(diǎn)在力學(xué)中的應(yīng)用學(xué)案新人教版
微專題08動力學(xué)、動量和能量觀點(diǎn)在力學(xué)中的應(yīng)用
力學(xué)規(guī)律的綜合應(yīng)用
(對應(yīng)學(xué)生用書P115)
1.解動力學(xué)問題的三個(gè)基本觀點(diǎn)
(1)力的觀點(diǎn):運(yùn)用牛頓定律結(jié)合運(yùn)動學(xué)知識解題,可處理勻變速運(yùn)動問題.
(2)能量觀點(diǎn):用動能定理和能量守恒觀點(diǎn)解題,可處理非勻變速運(yùn)動問題.
(3)動量觀點(diǎn):用動量守恒觀點(diǎn)解題,可處理非勻變速運(yùn)動問題.
但綜合題的解法并非孤立,而應(yīng)綜合利用上述三種觀點(diǎn)的多個(gè)規(guī)律,才能順利求解.
2.力學(xué)規(guī)律的選用原則
(1)如果要列出各物理量在某一時(shí)刻的關(guān)系式,可用牛頓第二定律.
(2)研究某一物體受到力的持續(xù)作用發(fā)生運(yùn)動狀態(tài)改變時(shí),一般用動量定理(涉及時(shí)間的問題)或動能定理(涉及位移的問題)去解決問題.
(3)若研究的對象為一物體系統(tǒng),且它們之間有相互作用,一般用兩個(gè)守恒定律去解決問題,但需注意所研究的問題是否滿足守恒的條件.
(4)在涉及相對位移問題時(shí)則優(yōu)先考慮能量守恒定律,系統(tǒng)克服摩擦力所做的總功等于系統(tǒng)機(jī)械能的減少量,即轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)內(nèi)能的量.
(5)在涉及碰撞、爆炸、打擊、繩繃緊等物理現(xiàn)象時(shí),需注意到這些過程一般均隱含有系統(tǒng)機(jī)械能與其他形式能量之間的轉(zhuǎn)換.這種問題由于作用時(shí)間都極短,因此動量守恒定律一般能派上大用場.
(20xx廣東佛山一模)如圖所示,王同學(xué)在一輛車上蕩秋千,開始時(shí)車輪被鎖定,車的右邊有一個(gè)和地面相平的沙坑,且車的右端和沙坑的左邊緣平齊;當(dāng)王同學(xué)擺動到最大擺角θ=60°時(shí),車輪立即解除鎖定,使車可以在水平地面上無阻力運(yùn)動,王同學(xué)此后不再對車做功,并可視其身體為質(zhì)點(diǎn).已知秋千繩子長為L=4.5m,王同學(xué)和秋千板的質(zhì)量為m=50kg,車和秋千支架的總質(zhì)量為M=200kg,重力加速度g取10m/s2.試求:
(1)王同學(xué)擺到最低點(diǎn)時(shí)的速率;
(2)在擺到最低點(diǎn)的過程中,繩子對王同學(xué)做的功;
(3)王同學(xué)擺到最低點(diǎn)時(shí),順勢離開秋千板,他落入沙坑的位置離沙坑左邊緣的距離.已知車身的長度s=3.6m,秋千架安裝在車的正中央,且轉(zhuǎn)軸離地面的高度H=5.75m.
解析:(1)在王同學(xué)下擺到最低點(diǎn)的過程中,王同學(xué)和車組成的系統(tǒng)在水平方向動量守恒,以水平向右為正方向,有mv1+Mv2=0,
系統(tǒng)的機(jī)械能守恒,有
mgL(1-cos60°)=12mv21+12Mv22,
聯(lián)立兩式并代入數(shù)據(jù)解得v1=6m/s.
(2)在下擺的過程中對王同學(xué)由動能定理可得
mgL(1-cos60°)+W繩=12mv21,
代入數(shù)據(jù)解得W繩=-225J.
(3)在王同學(xué)下擺的過程中,王同學(xué)與車組成的系統(tǒng)在水平方向動量是守恒的,則mv1+Mv2=0,
由于運(yùn)動的時(shí)間相等,則mx1+Mx2=0,
又x1+|x2|=Lsin60°,解得車的位移x2=-0.779m,即車向左運(yùn)動了0.779m.
王同學(xué)離開秋千后做平拋運(yùn)動,運(yùn)動的時(shí)間為
t=2H-Lg=2×5.75-4.510s=0.5s,
王同學(xué)沿水平方向的位移為x0=v1t=6×0.5m=3m.
所以王同學(xué)的落地點(diǎn)到沙坑左邊緣的距離為x=x0+x2-s2=0.421m.
答案:(1)6m/s(2)-225J(3)0.421m
(20xx湖北黃岡聯(lián)考)如圖所示,半徑為R=0.4m,內(nèi)壁光滑的半圓形軌道固定在水平地面上,質(zhì)量m=0.96kg的滑塊停放在距軌道最低點(diǎn)A為L=8.0m的O點(diǎn)處,質(zhì)量為m0=0.04kg的子彈以速度v0=250m/s從右邊水平射入滑塊,并留在其中.已知滑塊與水平地面間的動摩擦因數(shù)μ=0.4,子彈與滑塊的作用時(shí)間很短.g取10m/s2,求:
(1)子彈相對滑塊靜止時(shí)二者的共同速度大小v;
(2)滑塊從O點(diǎn)滑到A點(diǎn)的時(shí)間t;
(3)滑塊從A點(diǎn)滑上半圓形軌道后通過最高點(diǎn)B落到水平地面上C點(diǎn),A與C間的水平距離.
解析:(1)子彈射入滑塊的過程動量守恒,規(guī)定水平向左為正方向,則m0v0=(m+m0)v,
代入數(shù)據(jù)解得v=10m/s.
(2)子彈擊中滑塊后與滑塊一起在摩擦力的作用下向左做勻減速運(yùn)動,設(shè)其加速度大小為a,則μ(m+m0)g=(m+m0)a,
由勻變速直線運(yùn)動的規(guī)律得vt-12at2=L,
聯(lián)立解得t=1s(t=4s舍去).
(3)滑塊從O點(diǎn)滑到A點(diǎn)時(shí)的速度vA=v-at,
代入數(shù)據(jù)解得vA=6m/s.
設(shè)滑塊從A點(diǎn)滑上半圓形軌道后通過最高點(diǎn)B點(diǎn)時(shí)的速度為vB,由機(jī)械能守恒定律得
12(m+m0)v2A=(m+m0)g2R+12(m+m0)v2B,
代入數(shù)據(jù)解得vB=25m/s.
滑塊離開B點(diǎn)后做平拋運(yùn)動,運(yùn)動的時(shí)間t′=22Rg,
又xAC=vBt′,代入數(shù)據(jù)得xAC=455m.
答案:(1)10m/s(2)1s(3)455m
“子彈打木塊”類問題分析
(對應(yīng)學(xué)生用書P116)
這類題型中,通常由于“子彈”和“木塊”的相互作用時(shí)間極短,內(nèi)力外力,可認(rèn)為在這一過程中動量守恒.“木塊”對“子彈”的阻力乘以“子彈”的位移為“子彈”損失的動能,阻力乘以“木塊”的位移等于“木塊”獲得的動能,阻力乘以相對位移等于系統(tǒng)損失的機(jī)械能.
(20xx福建漳州模擬)長為L、質(zhì)量為M的木塊在粗糙的水平面上處于靜止?fàn)顟B(tài),有一質(zhì)量為m的子彈(可視為質(zhì)點(diǎn))以水平速度v0擊中木塊并恰好未穿出.設(shè)子彈射入木塊的過程時(shí)間極短,子彈受到木塊的阻力恒定,木塊運(yùn)動的最大距離為s,重力加速度為g,求:
(1)木塊與水平面間的動摩擦因數(shù)μ;
(2)子彈受到的阻力大小f.
解析:(1)在子彈射入木塊過程的極短時(shí)間內(nèi),子彈和木塊組成的系統(tǒng)在水平方向上動量守恒,以水平向右為正方向,則mv0=(m+M)v共,
在子彈與木塊共速到最終停止的過程中,由功能關(guān)系得
12(M+m)v2共=μ(M+m)gs,
解得μ=m2v202gsM+m2.
(2)在子彈射入木塊過程的極短時(shí)間內(nèi),設(shè)子彈與木塊之間因摩擦產(chǎn)生的熱量為Q,由能量守恒定律得Q=12mv20-12(M+m)v2共,
又Q=fL,
聯(lián)立解得f=Mmv202M+mL.
答案:(1)m2v202gsM+m2(2)Mmv202M+mL
(20xx湖南衡陽一模)如圖甲所示,在高h(yuǎn)=0.8m的水平平臺上放置一質(zhì)量為M=0.9kg的小木塊(視為質(zhì)點(diǎn)),距平臺右邊緣d=2m.一質(zhì)量為m=0.1kg的子彈沿水平方向射入小木塊并留在其中(作用時(shí)間極短),然后二者一起向右運(yùn)動,在平臺上運(yùn)動的v2x關(guān)系圖線如圖乙所示,最后小木塊從平臺邊緣滑出并落在距平臺右側(cè)水平距離為s=1.6m的地面上.g取10m/s2,求:
(1)小木塊滑出平臺時(shí)的速度大?。?br> (2)子彈射入小木塊前的速度大??;
(3)子彈射入木塊前至木塊滑出平臺時(shí),系統(tǒng)所產(chǎn)生的內(nèi)能.
解析:(1)小木塊從平臺滑出后做平拋運(yùn)動,有h=12gt2,s=vt,聯(lián)立兩式可得v=s2hg=4m/s.
(2)設(shè)子彈射入木塊后兩者的共同速度為v1,由圖乙并結(jié)合數(shù)學(xué)知識可知40m2s-2-v2=v21-40m2s-2,解得v1=8m/s,
子彈射入木塊的過程中,根據(jù)動量守恒定律有mv0=(M+m)v1,
解得v0=M+mv1m=80m/s.
(3)設(shè)子彈射入木塊前至木塊滑出平臺時(shí)系統(tǒng)所產(chǎn)生的內(nèi)能為Q,
則Q=12mv20-12(M+m)v2=312J.
答案:(1)4m/s(2)80m/s(3)312J
彈簧類模型的處理方法
(對應(yīng)學(xué)生用書P117)
對兩個(gè)(或兩個(gè)以上)物體與彈簧組成的系統(tǒng),在能量方面,由于發(fā)生彈性形變的彈簧會具有彈性勢能,系統(tǒng)的總動能將發(fā)生變化.若系統(tǒng)除重力和系統(tǒng)內(nèi)彈力以外的力不做功,系統(tǒng)機(jī)械能守恒.若還有其他外力做功,這些力做功之和等于系統(tǒng)機(jī)械能改變量.做功之和為正,系統(tǒng)總機(jī)械能增加,反之減少.在相互作用過程中,彈簧兩端的物體把彈簧拉伸至最長(或壓縮至最短)時(shí),兩端的物體具有相同的速度,彈性勢能最大.系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)物體除受彈簧彈力外所受其他外力的合力為零,當(dāng)彈簧為自然長度時(shí),系統(tǒng)內(nèi)彈簧某一端的物體具有最大速度.
如圖甲所示,三個(gè)物體A、B、C靜止放在光滑水平面上,物體A、B用一輕質(zhì)彈簧連接,并用細(xì)線拴連使彈簧處于壓縮狀態(tài),三個(gè)物體的質(zhì)量分別為mA=0.1kg、mB=0.2kg和mC=0.1kg.現(xiàn)將細(xì)線燒斷,物體A、B在彈簧彈力作用下做往復(fù)運(yùn)動(運(yùn)動過程中物體A不會碰到物體C).若此過程中彈簧始終在彈性限度內(nèi),并設(shè)以向右為正方向,從細(xì)線燒斷后開始計(jì)時(shí),物體A的速度—時(shí)間圖象如圖乙所示.求:
(1)從細(xì)線燒斷到彈簧恢復(fù)原長運(yùn)動的時(shí)間;
(2)彈簧長度最大時(shí)彈簧存儲的彈性勢能;
(3)若彈簧與物體A、B不連接,在某一時(shí)刻使物體C以v0的初速度向右運(yùn)動,它將在彈簧與物體分離后和物體A發(fā)生碰撞,所有碰撞都為完全彈性碰撞,試求在以后的運(yùn)動過程中,物體C與物體A能夠發(fā)生二次碰撞,物體C初速度v0的取值范圍.(彈簧與物體分離后,迅速取走,不影響物體后面的運(yùn)動).
解析:(1)當(dāng)彈簧恢復(fù)到原長時(shí),A的速度最大,
則對應(yīng)的時(shí)刻為t=14T+k2T(k=0,1,2,……)
(2)當(dāng)A的最大速度為4m/s,
此時(shí)根據(jù)動量守恒定律可得B的速度為:vB=mAvAmB=2m/s,
AB總的動能即為彈簧長度最大時(shí)彈簧存儲的彈性勢能,
即Ep=Ek=12mAv2A+12mBv2B=1.2J;
(3)當(dāng)A與彈簧分離時(shí)的速度為vA=4m/s,
第一次和C碰撞時(shí)滿足:
mCv0-mAvA=mCvC′+mAvA′,
12mCv20+12mAv2A=12mCv′2C+12mAv′2A,
物體C與物體A能夠發(fā)生二次碰撞,則需滿足vC′>vA′,
聯(lián)立以上解得v0>20m/s.
答案:(1)t=14T+k2T(k=0,1,2,……)
(2)1.2J(3)v0>20m/s
如圖所示,甲、乙、丙三個(gè)相同的小物塊(可視為質(zhì)點(diǎn))質(zhì)量均為m,將兩個(gè)不同的輕質(zhì)彈簧壓縮到最緊并用輕繩固定,彈簧與小物塊之間不連接.整個(gè)系統(tǒng)靜止在光滑水平地面上,甲物塊與左邊墻壁的距離為l(l遠(yuǎn)大于彈簧的長度).某時(shí)刻燒斷甲、乙之間的輕繩,甲與乙、丙的連接體立即被彈開.經(jīng)過時(shí)間t,甲與墻壁發(fā)生彈性碰撞,與此同時(shí)乙、丙之間的連接繩瞬間斷開,又經(jīng)時(shí)間t2,甲與乙發(fā)生第一次碰撞.設(shè)所有碰撞均為彈性碰撞,彈簧彈開后不再影響甲、乙、丙的運(yùn)動.求:
(1)乙、丙之間連接繩斷開前瞬間乙、丙連接體的速度大小?
(2)乙、丙之間彈簧初始時(shí)具有的彈性勢能.
解析:(1)甲與乙、丙連接體分離時(shí)的速度大小為lt
設(shè)乙、丙連接體在分離前瞬間的速度大小為v,則有
mlt=2mv
解得v=l2t
(2)設(shè)乙、丙分離后乙的速度大小為v乙,丙的速度大小為v丙
l+l2=lt+v乙t2
分離前后乙、丙組成的系統(tǒng)動量守恒:
2mv=mv丙-mv乙
乙、丙之間彈簧初始時(shí)具有的彈性勢能
Ep=12mv2乙+12mv2丙-12(2m)v2
解得Ep=25ml24t2.
答案:(1)l2t(2)25ml24t2