模型20 导体棒切割模型-备战2024年高考物理答题技巧与模板构建

模型20、导体棒切割模型 【模型概述】 1、 电磁感应中点动力学问题分析 1. 导体的平衡态一静止状态或匀速直线运动状态. 处理方法:根据平衡条件(合外力等于零)列式分析. 2. 导体的非平衡态-加速度不为零. 处理方法:根据牛顿第二定律进行动态分析或结合功能关系分析. 2、 电磁感应中能量问题分析 1. 过程分析 (1)电磁感应现象中产生感应电流的过程，实质上是能量的转化过程. (2)电磁感应过程中产生的感应电流在磁场中必定受到安培力的作用，因此，要维持感应电流的存在，必须有“外力”克服安培力做功,将其他形式的能转化为电能.“外力”克服安培力做了多少功，就有多少其他形式的能转化为电能. (3)当感应电流通过用电器时，电能又转化为其他形式的能，安培力做功的过程，或通过电阻发热的过程，是电能转化为其他形式能的过程.安培力做了多少功，就有多少电能转化为其他形式的能. 3、 “导轨+杆”模型 对杆在导轨上运动组成的系统，杆在运动中切割磁感线产生感应电动势，并受到安培力的作用改变运动状态最终达到稳定的运动状态，该系统称为“导轨+杆”模型. 【模型解题】 一、电磁感应与动力学问题的解题策略 此类问题中力现象和电磁现象相互联系、相互制约,解决问题前首先要建立“动一电一动”的思维顺序，可概括为: (1)找准主动运动者，用法拉第电磁感应定律和楞次定律求解感应电动势的大小和方向.(2)根据等效电路图，求解回路中感应电流的大小及方向. (3)分析安培力对导体棒运动速度、加速度的影响，从而推理得出对电路中的感应电流有什么影响，最后定性分析导体棒的最终运动情况.. (4)列牛顿第二定律或平衡方程求解. 二、电磁感应中能量问题求解思路 (1)若回路中电流恒定，可以利用电路结构及W=UIt或Q=PRt直接进行计算. (2)若电流变化，则:①利用安培力做的功求解:电磁感应中产生的电能等于克服安培力所做的功;②利用能量守恒求解:若只有电能与机械能的转化，则机械能的减少量等于产生的电能. 三、“导轨+杆”模型分析 根据杆的数目，对于“导轨+杆”模型题目，又常分为单杆模型和双杆模型. (1)单杆模型是电磁感应中常见的物理模型，此类问题所给的物理情景一般是 导体棒垂直切割磁感线，在安培力、重力、拉力作用下的变加速直线运动或匀速直线运动，所涉及的知识有牛顿运动定律、功能关系、能量守恒定律等.此类问题的分析要抓住三点:①杆的稳定状态一般是匀速运动(达到最大速度或最小速度，此时合力为零).②整个电路产生的电能等于克服安培力所做的功.③电磁感应现象遵从能量守恒定律. (2)双杆类问题可分为两种情况:一是“假双杆”，甲杆静止不动，乙杆运动.其实质是单杆问题，不过要注意问题包含着一个条件:甲杆静止、受力平衡.另-种情况是两杆都在运动,对于这种情况，要注意两杆切割磁感线产生的感应电动势是相加还是相减.线框进入磁场和离开磁场的过程和单杆的运动情况相同,在磁场中运动的过程与双杆的运动情况相同. 【模型训练】 【例1】如图所示，在磁感应强度为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场中，金属杆MN在平行金属导轨ab和cd上，以速度v向右滑动，MN中产生的感应电动势为E1；若金属杆速度改为2v，其他条件不变，MN中产生的感应电动势变为E2。则关于通过电阻R的电流方向及E1E2的判断，下列说法正确的是（　　） A．c→a，21 B．a→c，21 C．a→c，12 D．c→a，12 变式1.1如图所示，在光滑水平金属框架上有一导体棒ab。第一次以速度v匀速向右平动，第二次以速度匀速向右平动，两次移动的距离相同，则两种情况下回路中产生的感应电动势和通过R的电荷量之比分别为（　　） A．； B．； C．； D．； 变式1.2如图所示，平行光滑金属导轨水平放置，导轨间距为，左端连接一阻值为的电阻。导轨所在空间存在竖直向下的匀强磁场，磁感应强度为。导体棒置于导轨上，其电阻为，长度恰好等于导轨间距，与导轨接触良好。不计导轨的电阻、导体棒与导轨间的摩擦。在大小为的水平拉力作用下，导体棒沿导轨向右匀速运动，速度大小为。在导体棒向右匀速移动的过程中（　　） A．导体棒中感应电流的方向为 B．导体棒两端的电势差大小为 C．电阻消耗的电能为 D．拉力对导体棒做功的功率为 【例2】如图所示，在磁感应强度大小为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场中，长为L的金属杆MN在平行金属导轨上以速度v向右匀速滑动。金属导轨电阻不计，金属杆与导轨的夹角为θ，电阻为2R，ab间电阻为R，M、N两点间电势差为U，则M、N两点电势的高低及U的大小分别为（　　） A．M点电势高，U= B．M点电势高，U= C．N点电势高，U= D．N点电势高，U= 变式2.1如图所示，为水平放置的平行光滑金属导轨，间距为，导轨间有垂直于导轨平面的匀强