细化运动特征突破导体棒过磁场问题

2020-11-20 01:35甘肃王宗斌

教学考试(高考物理) 2020年6期

甘肃王宗斌

2020年全国卷及各省市独立命题(含等级考试)高考中导体棒过磁场问题均以电磁感应为背景，分化各章节知识要点，通过上挂下联，横向综合，将电、磁、力与运动进行高层次组合，形成综合型考查问题。综观这些题目，以电磁感应为背景，巧妙地与不同特征的运动过程相结合，只有注重对物理过程分析、建立物理模型及运用数学知识处理问题的综合能力，才能找到突破问题的方法。本文就2020年出现的这些题目进行详解，指出处理这类问题的知识架构体系，探究处理这类问题的一般方法，从而培养处理复杂问题的能力。

一、以电磁感应为背景，匀速直线运动为过程，架起力与电磁联系的桥梁

图1

综上所述，导体棒所受安培力大小为

【点评】本题以导体棒匀速通过有界匀强磁场为背景，变化的因素是导体切割磁感线的有效长度，从几何关系找到有效长度与位移之间的联系是解题的关键，综合应用导体棒切割磁感线电动势的计算公式、欧姆定律、安培力的计算式就能将问题突破，属于较易题。

二、以电磁感应为背景，变加速到匀速为过程，架起力与电磁联系的桥梁

【例2】如图2所示，足够长的光滑金属导轨宽L=0.5 m，电阻不计。左端接一个电动势为3 V的电源，整个装置处于匀强磁场中。现闭合开关S，质量为0.1 kg的导体棒ab由静止开始运动，回路的电流逐渐减小，稳定后电源电动势为E，回路的电流为零。从闭合开关到逐渐稳定的过程中，电源提供的能量Es=10 J，电源、导体棒产生的焦耳热分别是Q1=0.5 J，Q2=4.5 J。

图2

(1)求内阻r和电阻R的阻值之比。

(2)求导体棒稳定时的速度和匀强磁场的磁感应强度。

(3)分析开关闭合后导体棒的运动情况和能量的转化关系。

(3)开关闭合后，导体棒与电源构成闭合回路，导体棒中有电流，导体棒作为通电导体放在磁场中，导体棒中电流受到安培力的作用，根据左手定则，导体棒受到向右的安培力开始向右加速运动；导体棒运动后，切割磁感线，产生动生电动势，由右手定则可知感应电流方向由b指向a，抵消电源电动势，使电路中的实际电动势减小，因此回路电流减小，导体棒所受安培力减小，导体棒的加速度就减小，因此导体棒做加速度逐渐减小的加速运动，最终加速度减为零，回路中电流为零，导体棒开始匀速运动。整个过程中，根据能量守恒定律，电源提供的能量，一部分转化为导体棒的动能，剩余部分转化为电能，最终以焦耳热的形式在电路中内、外电阻上转化为内能。

【点评】本题中有双电源，有电源提供的恒定电动势与导体棒切割磁感线产生的动生电动势，两者方向相反，导体棒在安培力作用下做加速度不断减小的加速运动，最终动生电动势抵消了恒定电动势时，导体棒最终做匀速运动。能量关系的建立是解决本题的基本思路，分析电路结构是基础，综合应用焦耳定律、电磁感应定律、能量守恒定律以及最终平衡的特点就能突破问题。

三、以电磁感应为背景，从变加速到匀变速为过程，架起力与电磁联系的桥梁

【例3】(2020年全国卷Ⅰ)如图3所示，U形光滑金属框abcd置于水平绝缘平台上，ab和dc边平行，和bc边垂直。ab、dc足够长，整个金属框电阻可忽略。一根具有一定电阻的导体棒MN置于金属框上，用水平恒力F向右拉动金属框，运动过程中，装置始终处于竖直向下的匀强磁场中，MN与金属框保持良好接触，且与bc边保持平行。经过一段时间后

图3

( )

A.金属框的速度大小趋于恒定值

B.金属框的加速度大小趋于恒定值

C.导体棒所受安培力大小趋于恒定值

D.导体棒到金属框bc边的距离趋于恒定值

图4

【点评】本题导体棒与金属框均在切割磁感线产生双电源，两个动生电动势方向相反，实际电动势是它们的代数和，金属框与导体棒视作一系统做匀加速直线运动，金属框、导体棒均由变加速运动变为匀加速运动。准确分析运动过程是解题的基础，整体、隔离交替分析是解题的基本思路，综合应用电磁感应定律、牛顿第二定律、安培力的计算公式、欧姆定律就能突破认知。