◇ 广东 廖明祥

电磁感应现象中常见题型分析

◇ 广东 廖明祥

电磁感应作为电磁学中的重要知识点,是物理高考的必考点.由于电磁感应牵涉的知识面较广,其题目的综合程度较高、难度较大,因此学生在解答该类题目时,往往正确率不是很高.导致该现象发生的主要原因是学生没有很好地对题目进行分析,不知道题目考查的知识点是什么.因此,学生在学习该部分知识时要多注意与之前学过的知识的结合.本文笔者将结合实例,对电磁感应现象中常见题型进行分析.

1 电磁感应现象中的电路问题

在电磁感应现象中,切割磁感线的导体或者磁通量发生变化的回路将产生感应电动势,此时该导体或者回路就相当于电源.因此,电磁感应问题往往和电路问题联系在一起.解决此类问题的关键就是将电磁问题转化为电学问题,然后运用电学方面的知识进行解答.

例1 如图1所示,平行导轨相距L,a、b间接有一阻值为R的固定电阻.金属杆MN以速度v匀速滑动,方向和da平行,杆MN每米阻值为R.其中匀强磁场的磁感应强度的大小为B,方向垂直纸面向里.

图1

(1)求电阻R消耗的功率最大时θ的值;

(2)求MN消耗的功率最大时θ的值.

由ℰ＝BLv可知,ℰ的大小与θ无关;将MN的电阻表示为r,则回路的电流为

在解答该问题时,先要分清电路的组成,即谁产生感应电动势,则谁就是电源,其电路部分为内电路,除此之外其余则为外电路部分,再画出等效电路图,结合电学公式求解.但是需要注意的是哪些部分电阻需要忽略,哪些部分电阻不可忽略,同时,切不可将感应电动势的方向判断错误.

2 电磁感应中的动力学问题

由于通电导体在磁场中将受到安培力的作用,因此电磁感应问题往往和力学问题联系在一起.由于该类题型中既包含了电磁学中的知识,也包含了动力学方面的知识,因此如何将二者有效联系在一起是解答此类题的关键.

例2 如图2所示,P、Q为水平面内平行放置的光滑导轨,其间距为L1,处在竖直向下,磁感应强度为B1的匀强磁场中.一导轨杆ef垂直于P、Q放在导轨上,在外力作用下向左做匀速直线运动.质量为m、每边的电阻为r、边长为L2的正方形金属框abcd置于竖直平面内.其所在空间磁感应强度为B2,方向为垂直金属框向里,金属框恰好处于静止状态.求通过ab边的电流和导体轨ef的运动速度.

图2

由于abcd处于静止状态,可根据力的平衡知识列出平衡方程mg＝B2IabL2＋B2IdcL2,金属框abcd受到的安培力与电流有关,设通过金属框的电流为I,结合电路知识可得由Iab结合电路知识可知ef中的电流,其切割磁感线产生的电动势为ℰ＝B1L1v,由闭合电路欧姆定律可知解得

解答此类问题的基本方法为:1)通过法拉第电磁感应定律和右手定则确定电动势方向和电流;2)分析受力情况(注意不要把安培力给漏掉),再根据动力学知识列式;3)根据F＝BIL求出电流,这是继续解题的关键.

3 电磁感应中的能量问题

在电磁感应的过程中会有感应电流产生,而其在磁场中肯定要受到安培力作用阻碍它产生感应电流.因此要想继续产生电流就必须要一个力与安培力背道而行,而此力背道而行的过程就是个产生电能的过程,即一个能量转化的过程.

例3 如图3所示,2根与水平面成θ＝30°角的足够长光滑金属导轨平行放置,导轨间距为L＝1m,接有阻值为1Ω的电阻,整个装置处于匀强磁场中,磁场方向垂直于导轨平面斜向上,磁感应强度B＝1T,现有一个m＝0.2kg的金属棒用细绳通过光滑滑轮与m0＝0.5kg的物体相连.将金属棒和m0静止释放后,棒运动了2m后做匀速运动.求在棒从释放到匀速运动的过程中,电阻产生的焦耳热QR.

图3

在整个系统中,由能量守恒得,m0gs＝

解答该类问题,要从能量的角度入手,分清楚有哪些力做功、做什么形式的功,根据能量之间的转化关系列式求解.由于电磁感应中能量问题常常还与动能定理、功能关系相结合考查,其综合性比较强,并具有一定的迷惑性,因此,学生在求解时不可随便套用公式.

综上所述,从电磁感应中常见问题里,我们可以感受到解答此类问题要运用到比较多的知识点.因此在学习过程中要注意分析规律、总结方法,提高解决该类问题的能力.

(作者单位:广东省肇庆市四会中学)