电磁感应中的双重变化问题

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  在电磁感应现象中,当导体做切割磁感线运动会产生动生电动势,这是由于导体做切割磁感线运动使自由电荷受到洛伦兹力作用而产生的;当回路中磁通量发生变化时,会产生感生电动势,这是由于变化的磁场周围产生电场而产生的.此时的导体或回路就相当于电源,在一些电磁感应问题中,这样的电源常常有两个,同学们在求解此类问题时,有些同学常常感到无从下手,还有些同学常因考虑不周,顾此失彼,导致解题错误.为了提高同学们求解此类问题的能力,下面举例分析,希望能够引起同学们的高度注意.
  1两导体棒同时切割磁感线问题
  1.1两导体棒反向运动
  例1两根相距d=0.20m的平行金属导轨固定在水平面内,并处于竖直方向的匀强磁场中,磁场的磁感应强度B=0.20T.导轨上面横放着两条金属细杆,构成矩形回路.每条金属细杆的电阻r=0.15Ω,回路中其余部分的电阻不计.[TP6GW151.TIF,Y#]已知两金属杆在平行于导轨的拉力作用下,沿导轨向相反的方向匀速平移,速度大小都是v=5.0m/s,如图1所示,不计导轨上的摩擦.(1)求作用于每条细杆上的拉力的大小;(2)求两金属细杆在间距增加0.40m滑动过程中共产生的热量.
  1.2两导体棒同向运动
  例3两根足够长的固定的平行金属导轨位于同一平面内,两导轨间的距离为l.导轨上面横放着两根导体棒ab和cd,构成矩形回路,如图3所示.两根导体棒的质量都是m,电阻都是R,回路中其余部分的电阻可不计.在整个导轨平面内都有竖直向上的匀强磁场,磁感应强度为B.设两导体棒均可沿导轨无摩擦地滑行,开始时棒cd静止,棒ab有指向棒cd的初速度v0,若两导体棒在运动中始终不接触,求:
  (1)在运动中产生的焦耳热最多是多少?
  (2)当棒ab的速度变为初速度的3/4时,棒cd的加速度是多少?
  解析棒ab向棒cd运动时,两棒和导轨构成的回路面积减小,磁通量发生变化,于是产生感应电流.棒ab受到与运动方向相反的安培力作用做减速运动,棒cd则在安培力作用下做加速运动.两棒速度达到相同时,回路面积保持不变,磁通量不变化,不产生感应电流,两棒以相同的速度v做匀速运动.
  (3)棒中不产生感应电流,则磁通量不变,即BL(L vt)=B0L2,所以BB0LL vt,也就是感生电动势与动生电动势大小相等、方向相反,电路中的电动势为零.
  从对上述几例的求解过程可见,在解答电磁感应的双重变化问题时,应掌握电磁感应的基础知识,一是利用法拉第电磁感应定律:E=nΔΦΔt和公式E=Blv确定感应电动势的大小;二是利用楞次定律与右手定则判断感应电流(及感应电动势)的方向;确定电源的连接方式.若题中的磁场方向未知,要学会处理这一隐含条件的方法,解题时可假设磁场沿某一方向进行分析,结果与磁场方向无关.
  上述问题还涉及到电路、力学等方面的知识.与电路相结合,应掌握闭合电路欧姆定律公式IER r,串联电路性质、电功率等公式的应用.与力学相结合,要注意分析导体受力和运动情况,从而运用力的平衡条件、牛顿第二定律和运动学公式、动量定理和动量守恒定律以及动能定理和能量守恒定律求解.在分析受力时,要注意安培力F=BIl及其做功情况.在应用能量守恒定律时,不限于机械能,还要注意电能和内能,总能量守恒.
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