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高中二年级物理

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    如图所示,可绕固定轴OO'转动的正方形线框的边长l=0.5m,仅ab边有质量m=0.1kg,线圈的总电阻R=1Ω,不计摩擦和空气阻力。线框从水平位置由静止释放,到达竖直位置历时t=0.1s,设线框始终处在方向竖直向下,磁感应强度B=4×10-2T的匀强磁场中,g=10m/s2。求:
    (1)这个过程中平均电流的大小和方向;
    (2)若这个过程中产生的焦耳热Q=0.3J,求线框到达竖直位置时ab边受到的安培力的大小和方向。

    本题信息:2010年0103月考题物理计算题难度极难 来源:马凤霞
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本试题 “如图所示,可绕固定轴OO'转动的正方形线框的边长l=0.5m,仅ab边有质量m=0.1kg,线圈的总电阻R=1Ω,不计摩擦和空气阻力。线框从水平位置由静止释放,到达竖直...” 主要考查您对

磁场对通电导线的作用:安培力、左手定则

感应电流

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  • 磁场对通电导线的作用:安培力、左手定则
  • 感应电流

安培力与洛伦兹力:




通电导线在安培力作用下运动方向的判定方法:

要判定通电导线在安培力作用下的运动,首先必须清楚导线所在位置磁场的分布情况,然后才能结合左手定则准确判定导线的受力情况,进而确定导线的运动方向。常用的方法如下: 1.电流元法
(1)同一磁场中的弯曲导线

把整段弯曲导线分为多段直线电流元,先用左手定则判定每段电流元受力的方向,然后判定整段导线所受合力的方向,从而确定导线的运动方向,如在图中,要判定导线框abcd的受力可将其分为四段来判定,若将导线框换作导线环时,可将其分为多段直线电流元。
(2)不同磁场区域中的直线电流当直导线处于不同的磁场区域中时,可根据导线本身所处的物理情景,将导线适当分段处理,如图甲中,要判定可自由运动的通电直导线AB在蹄形磁铁作用下的运动情况时,以蹄形磁铁的中轴线OO’为界,直导线在OO’两侧所处的磁场截然不同,则可将AB以OO’为分界点分为左右两段来判定。

2.特殊位置法因电流所受安培力的方向是垂直于电流和磁场所决定的平面的,虽然电流与磁场之间夹角不同时电流所受安培力大小不同,但所受安培力的方向是不变的 (要求电流从平行于磁场的位置转过的角度不超过 180)。故可通过转动通电导线到某个便于分析的特殊位置,然后判定其所受安培力的方向,从而确定其运动方向。如在上图甲中,初始位置磁场在平行于电流方向上的分量对电流无作用力,但一旦离开初始位置,此磁场分量就会对电流产生作用力,如上图乙所示。但此分量对电流在转动过程中作用力的方向不方便判定.可将此导线转过90,此时电流方向与该磁场分量方向垂直,用左手定则很容易判定出受力方向,如上图丙所示,
3.等效法
(1)从磁体或电流角度等效
环形电流可以等效成小磁针,通电螺线管可以等效成条形磁铁或多个环形电流,反过来等效也成立。将环形电流与小磁针相互等效时,它们的位置关系可以认为是小磁针位于环形电流的中心处,N、S极连线与环面垂直,且N、S极与电流方向遵从安培定则。如在图中,两通电圆环同心,所在平面垂直,要判定可自南转动的圆环,I2的运动情况,可将其等效为一小磁针。
(2)从磁感线分布情况的角度等效
根据要判定的电流或磁体所在处的磁感线分布,将其所在处的磁场等效为某一能够在该处产生类似磁场的场源电流或磁体,然后再用电流之间或磁体之间相互作用的规律来判定。如在图中,导线AB所在处的磁感线分布与位于其下方与纸面垂直的通电直导线在该处产生的磁感线类似(注意是类似而不是相同),所以可以将蹄形磁铁等效为一通电直导线进而进行判定。

4.结论法
当两电流之间或两等效电流之间发生相互作用时,可利用电流之间相互作用的规律直接判定,只是同前所述,此法应慎用。
(1)两平行直线电流在相互作用过程中,无转动趋势,同向电流互相吸引,反向电流互相排斥;
(2)两不平行的直线电流互相作用时,有转到平行且电流方向相同的趋势。
5.转换研究对象法
定性分析磁体在电流磁场作用下如何运动的问题,可先分析电流在磁体磁场中所受的安培力,然后由牛顿第三定律,确定磁体所受电流磁场的作用力,从而确定磁体所受的合力及运动方向。如在图中要判定磁铁所受电流的作用力,可以分析磁铁对电流的作用力。


安培力作用下力学问题的解决方法:

由于安培力的方向总是垂直于电流方向与磁场方向决定的平面,即F一定垂直于B和I,但B和I不一定垂直。因此涉及安培力的问题常呈现于三维空间中,要解决这类问题,需从合适的方位将立体图改画为二维平面图,再通过受力分析及运动情况分析,结合平衡条件或牛顿运动定律解题。


电磁感应现象及产生条件:

1.概念:由磁得到电的现象叫电磁感应现象在电磁感应中得到的电流叫感应电流,得到的电动势叫感应电动势
2.产生条件:
感应电流的产生条件: ①电路必须闭合 ②穿过回路的磁通量要发生变化
感应电动势的产生条件:无论电路闭合与否,只要穿过线圈的磁通量发生变化,电路中就一定有感应电动势产生。产生感应电动势的那部分导体就是电源


感应电流方向的判定:

(1)楞次定律
Ⅰ、楞次定律:感应电流的磁场,总是阻碍引起感应电流的磁通量的变化。楞次定律适用于一般情况的感应电流方向的判定,而右手定则只适用于导线切割磁感线运动的情况,此种情况用右手定则判定比用楞次定律判定简便。
Ⅱ、对楞次定律的理解
①谁阻碍谁——感应电流的磁通量阻碍产生感应电流的磁通量;
②阻碍什么——阻碍的是穿过回路的磁通量的变化,而不是磁通量本身;
③如何阻碍——原磁通量增加时,感应电流的磁场方向与原磁场方向相反;当原磁通量减少时,感应电流的磁场方向与原磁场方向相同,即“增反减同”;
④阻碍的结果——阻碍并不是阻止,结果是增加的还增加,减少的还减少。
Ⅲ、楞次定律的另一种表述:感应电流总是阻碍产生它的那个原因,表现形式有三种:
①阻碍原磁通量的变化;
②阻碍物体间的相对运动(来时拒,去时留);
③阻碍原电流的变化(自感)。
Ⅳ、运用楞次定律判定感应电流方向的基本思路可归结为:“一原、二感、三电流”,即为:
①明确原磁场:弄清原磁场的方向及磁通量的变化情况;
②确定感应磁场:即根据楞次定律中的“阻碍”原则,结合原磁场磁通量变化情况,确定出感应电流产生的感应磁场的方向;
③判定电流方向:即根据感应磁场的方向,运用安培定则判断出感应电流方向。
(2)右手定则
伸开右手让拇指跟其余的四指垂直,并且都跟掌心在同一个平面内,让磁感线垂直从手心进入,拇指指向导体的运动方向,其余四指指的就是感应电流的方向。

判断有无感应电流产生的方法:

(1)判断有无感应电流产生,关键是抓件两个条件:
①电路是否为闭合电路;
②穿过电路本身的磁通量是否发生变化,其主要内涵体现在“变化”二字上。电路中有没有磁通量不是产生感应电流的条件,如果穿过电路的磁通量很大但不变化,那么不论有多大,也不会产生感应电流。
(2)分析磁通量是否变化时,既要弄清楚磁场的磁感线分布,又要注意引起磁通量变化的三种情况:
①由于线框所在处的磁场变化引起磁通量变化;
②由于线框在垂直于磁场方向的投影面积变化引起磁通量变化;
③有可能是磁场及其垂直于磁场的面积都发生变化。
(3)画好各种俯视图、侧视图等截面图,也可使问题的判断直观化、简单化。

电磁感应中图像类问题的解法:

1.图像问题
 
2.基本分析思路和方法
(1)选出或画出图像的问题
①将复杂的过程划分为几个单一的小过程,逐一分析每一个小过程。
②根据楞次定律或右手定则判断出感应电动势 (或电流)的方向,从而确定其正负。若研究安培力与时间的关系,还要根据左手定则或广义楞次定律判定安培力的方向,确定其正负。
③根据法拉第电磁感应定律判定出感应电动势的大小变化规律,进而确定出感应电流、安培力的大小变化规律。
(2)对于选出图像的问题且四个选项都是某两个量的天系图像,其解是唯一的,可用排除法。
①首先明确研究的是哪两个量间的关系。
②从斜率的正负和大小、截距的大小、坐标的正负等方面比较四个选项中每一个小过程中的图线差异。
③选取某一过程进行分析,排除错误选项,不能完全排除时再选一过程,直到得出答案。
④在感应电流的i—t图像中,若整个过程中磁通量变化量为零,则i—t图线所围的总面积也为零。特别在单选题中利用此结论可快速准确解答。
(3)对于根据图像分析问题的题目,要正确理解图像问题,能把图像反映的规律对应到实际过程中去。理解图像时要从图像的横纵坐标轴的含义、图线的斜率和截距等方面去分析。


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