专题电磁感应现象中有关电容器类问题及答案
高中物理小专题—《电磁感应》中电容器充电、放电问题
《电磁感应》中电容器充电、放电问题一、电容器充电问题1.如图所示，水平放置的两根平行光滑金属导轨相距40cm ，质量为0.1kg 的金属杆ab 垂直于导轨放于其上，导轨间接入电阻R ＝20Ω和电容C ＝500pF ，匀强磁场方向垂直于导轨平面竖直向下，磁感应强度B ＝1.0T ，现有水平向右的外力使ab 从静止开始以加速度a ＝5.0m ／s 2向右做匀加速运动，不计其他电阻和阻力，求：（1）电容器中的电流; （2）t ＝2s 时外力的大小．解析：（1）电容器中电流I C ＝t Q ∆∆ ① △Q ＝C·△U ②△U ＝BL △V ③a ＝tV ∆∆ ④ 由上四式可得：I C ＝CBLa ＝1×10－9A（2）当t ＝2s 时，V ＝at ＝10m/s ，电动势E ＝BLV ＝4V ，通过R 的电流I ＝E/R ＝0.2A ，远大于电容器的充电电流。
所以电容器电流可忽略不计。
由牛顿第二定律：F －BIL ＝ma 解得：F ＝0. 58N2.如图所示，两光滑导轨相距为L ，倾斜放置，与水平地面夹角为θ，上端接一电容为C 的电容器。
导轨上有一质量为m ，长为L 的导体棒平行于地面放置，导体棒离地面的高度为h ，磁感应强度为B 的匀强磁场与两导轨所决定的平面垂直，开始时电容器不带电。
将导体棒由静止释放，整个电路电阻不计，则：（ ）A ．导体棒先做加速运动，后作匀速运动B ．导体棒一直做匀加速直线运动，加速度为a ＝22sin L CB m mg +α C ．导体棒落地时瞬时速度v=222L CB m mgh + D ．导体棒下落中减少的重力势能转化为动能，机械能守恒解析：设Δt 时间内电容器的带电量增加Δq ，则：I=CBLa t v CBL t q =∆∆=∆∆ （1）又因为ma BIL mg =-αsin 得I=BL mamg -αsin （2）由（1）（2）得CBLa BL ma mg =-αsin解得a ＝22sin L CB m mg +α，所以B 选项正确R C a bF 图3-3-4由22222sin sin 22L CB m mgh h L CB m mg aL v +=∙+==αα，所以C 选项正确。
高考物理压轴题之电磁感应现象的两类情况(高考题型整理,突破提升)及详细答案
代入数据解得：P=1W
棒MN最终做匀速运动，设棒最大速度为vm，棒受力平衡，则有：
代入数据解得:
(2)解除棒PQ后，两棒运动过程中动量守恒，最终两棒以相同的速度做匀速运动，设速度大小为v′，则有：
设从PQ棒解除锁定，到两棒达到相同速度，这个过程中，两棒共产生的焦耳热为Q，由能量守恒定律可得：
（1）前2s时间内流过MN杆的电量（设EF杆还未离开水平绝缘平台）；
（2）至少共经多长时间EF杆能离开平台。
【答案】（1）5C；（2）4s
【解析】
【分析】
【详解】
解：（1）t=2s内MN杆上升的距离为
此段时间内MN、EF与导轨形成的回路内，磁通量的变化量为
产生的平均感应电动势为
产生的平均电流为
流过MN杆的电量
（1）导线框匀速穿出磁场的速度；
（2）导线框进入磁场过程中产生的焦耳热；
（3）若在导线框进入磁场过程对其施加合适的外力F则可以使其匀加速地进入磁场区域，且之后的运动同没施加外力F时完全相同。请写出F随时间t变化的函数表达式.
【答案】(1)2m/s (2)0.15J (3)F=0.75-1.25t(0<t<0.4s)
联立①②③式பைடு நூலகம்得: ④
（2）设金属杆在磁场区域中匀速运动时，金属杆的电流为I，根据欧姆定律：I= ⑤
式中R为电阻的阻值．金属杆所受的安培力为： ⑥
因金属杆做匀速运动，由牛顿运动定律得：F–μmg–f=0⑦
联立④⑤⑥⑦式得:R=
5．如图所示空间存在有界匀强磁场，磁感应强度B=5T，方向垂直纸面向里，上下宽度为d=0.35m.现将一边长L=0.2m的正方形导线框自磁场上边缘由静止释放经过一段时间，导线框到达磁场下边界，之后恰好匀速离开磁场区域.已知导线框的质量m=0.1kg，电阻 .（g取10m/s2)求:
专题：电磁感应现象中有关电容器类问题 及答案
专题：电磁感应现象中有关电容器类问题1、电磁轨道炮利用电流和磁场的作用使炮弹获得超高速度，其原理可用来研制新武器和航天运载器。
电磁轨道炮示意如图，图中直流电源电动势为E，电容器的电容为C。
两根固定于水平面内的光滑平行金属导轨间距为L，电阻不计。
炮弹可视为一质量为m、电阻为R的金属棒MN，垂直放在两导轨间处于静止状态，并与导轨良好接触。
首先开关S接1，使电容器完全充电。
然后将S接至2，导轨间存在垂直于导轨平面、磁感应强度大小为B的匀强磁场（图中未画出），MN 开始向右加速运动。
当MN上的感应电动势与电容器两极板间的电压相等时，回路中电流为零，MN达到最大速度，之后离开导轨。
问：（1）磁场的方向；（2）MN刚开始运动时加速度a的大小；（3）MN离开导轨后的最大速度v m的大小。
试题分析：（1）根据通过MN电流的方向，结合左手定则得出磁场的方向．（2）根据欧姆定律得出MN刚开始运动时的电流，结合安培力公式，根据牛顿第二定律得出MN刚开始运动时加速度a的大小．（3）开关S接2后，MN开始向右加速运动，速度达到最大值时，根据电动势和电荷量的关系，以及动量定理求出MN 离开导轨后最大速度.解：（1）电容器上端带正电，通过MN的电流方向向下，由于MN向右运动，根据左手定则知，磁场方向垂直于导轨平面向下．2、一对无限长平行导轨位于竖直平面内，轨道上串联一电容器C（开始未充电）.另一根质量为m的金属棒ab可沿导轨下滑，导轨宽度为L，在讨论的空间范围内有磁感应强度为B、方向垂直整个导轨平面的匀强磁场，整个系统的电阻可以忽略，ab棒由静止开始下滑，求它下滑h高度时的速度v.解：设ab 棒下滑过程中某一瞬时加速度为a i ，则经过一微小的时间间隔Δt ，其速度的增加量为Δv=a i ·Δt.棒中产生的感应电动势的增加量为：ΔE=BL Δv=BLa i ·Δt电容器的极板间电势差的增加量为：ΔU i =ΔE=BLa i ·Δt电容器电荷量的增加量为：ΔQ=C ·ΔU=CBLa i ·Δt电路中的充电电流为：I=t Q ∆∆=CBLa i ab 棒所受的安培力为：F=BLI=CB 2L 2a i由牛顿第二定律得：mg-F=ma i ，即mg-CB 2L 2a i =ma i ，所以，a i =22LCB m mg +，可见，棒的加速度与时间无关，是一个常量，即棒ab 向下做匀加速直线运动.所以要求的速度为v=2222LCB m mgh ah +=.3、如图所示，处于匀强磁场中的两根足够长且电阻不计的平行金属导轨相距L ，导轨平面与水平面重合，左端用导线连接电容为C 的电容器（能承受的电压足够大）．已知匀强磁场的磁感应强度大小为B 、方向竖直向上．一质量为m 、电阻不计的直金属棒垂直放在两导轨上，一根绝缘的、足够长的轻绳一端与棒的中点连接，另一端跨过定滑轮挂一质量为m 的重物．现从静止释放重物并通过轻绳水平拖动金属棒运动（金属棒始终与导轨垂直并保持良好接触，不计滑轮质量和所有摩擦）．求：（1）若某时刻金属棒速度为v ，则电容器两端的电压多大？（2）求证：金属棒的运动是匀加速直线运动；（3）当重物从静止开始下落一定高度时，电容器带电量为Q ，则这个高度h 多大？解：（1）电容器两端的电压U 等于导体棒上的电动势E ，有：U=E=BLv（2）金属棒速度从v 增大到v+△v 的过程中，用时△t （△t →0），加速度为a ，有：电容器两端的电压为：U=BLv电容器所带电量为：式中各量都是恒量，加速度保持不变，故金属棒的运动是匀加速直线运动．（3）由于金属棒做匀加速直线运动，且电路中电流恒定4、如图所示，有一间距为L且与水平方向成θ角的光滑平行轨道，轨道上端接有电容器和定值电阻，S为单刀双掷开关，空间存在垂直轨道平面向上的匀强0磁场，磁感应强度为B。
电磁感应中的电容器问题
电磁感应中的电容器与金属棒相结合的问题黄德利山东省兖州一中272100摘要:部分导体做变速运动产生变化的电流时，高中阶段的闭合电路欧姆定律就无法列式计算，学生感觉无从下手，从而这一类的问题成为高三复习的难点。
通过最近全国各地的一模考试发现，这类问题在各地一模中均有体现。
关键词：电磁感应；电容器;金属棒电容器是一个储存电荷的容器，它可以进行无数次的充放电.在充放电的过程中，可以理解为变化的电流可以通过电容器。
因此，在一些含有电容器的电磁感应电路中，当一部分导体做变速运动产生变化的电流时,高中阶段的闭合电路欧姆定律就无法列式计算，学生感觉无从下手，从而这一类的问题成为高三复习的难点。
通过最近全国各地的一模考试发现，这类问题在各地一模中均有体现。
实际上这类问题，只要认真分析，寻找其中的规律，这类问题其实也很好解决。
下面通过几个例题对与电容器相关的问题分类解决。
一、金属棒做匀加速直线运动例1、。
如图所示,位于同一水平面的两根平行导轨间的距离是L，导线的左端连接一个耐压足够大的电容器，电容器的电容为C.放在导轨上的导体杆cd与导轨接触良好,cd杆在平行导轨平面的水平力作用下从静止开始匀加速运动，加速度为a，磁感强度为B的匀强磁场垂直轨道平面竖直向下，导轨足够长，不计导轨和连接电容器导线的电阻,导体杆的摩擦也可忽略.求从导体杆开始运动经过时间t电容器吸收的能量E＝?解析：据题意,导体杆MN加速切割磁感线，产生的感应电动势且不断增大，电容器两极板间电压随着增大，储存的电能增加，同时由于电容器处于连续充电状态中，电路中有持续的充电电流，故导体杆受到向左的安培力.因电容器在时间t 内吸收的电能可以用克服安培力做的功来量度,所以弄清楚充电电流及安培力的变化规律，就成为解答本题的关键。
设某时刻导体杆切割磁感线的速度为v，产生的感应电动势为E，电容器所带的电荷量为q,两极板间的电压为u,则有：u=E=BLv,q=Cu=CBLv。
电磁感应与电容器的结合
电磁感应与电容器的结合1．如图所示，两光滑导轨相距为L ，倾斜放置，与水平地面夹角为θ，上端接一电容为C 的电容器。
导轨上有一质量为m 长为L 的导体棒平行地面放置，导体棒离地面的高度为h ，磁感强度为B 的匀强磁场与两导轨所决定的平面垂直，开始时电容器不带电。
将导体棒由静止释放，整个电路电阻不计，则（ BC ）A ．导体棒先做加速运动，后作匀速运动B ．导体棒一直做匀加速直线运动，加速度为a ＝22sin L CB m mg +αC ．导体棒落地时瞬时速度v=222L CB m mgh + D ．导体棒下落中减少的重力势能转化为动能，机械能守恒分析：设Δt 时间内电容器的带电量增加Δq则有I=CBLa tv CBL t q =∆∆=∆∆…………………（1） 又因为ma BIL mg =-αsin 得I=BLma mg -αsin ………（2） 由（1）（2）得CBLa BLma mg =-αsin 解得a ＝22sin L CB m mg +α所以B 正确 由22222sin sin 22L CB m mgh h L CB m mg aL v +=•+==αα 所以C 选项2．如图所示，光滑平行金属导轨固定在绝缘水平面上，轨道间距为0. 2 m ，金属杆ab 的质量为0. 1 kg ，电容器电容为0.5F ，耐压足够大，A 为理想电流表，导轨与金属杆接触良好．各自的电阻忽略不计．整个装置处于磁感应强度大小为0. 5T ，方向垂直导轨平面向下的匀强磁场中，现用水平外力F 拉ab 向右运动，使电流表示数恒为0.5A ，求：（1）t=2s 时电容器的带电荷量；（2）说明金属杆做什么运动？（3）t=2s 时外力做功的功率．答案：（1）q=It=1C（2）I=CBLa t v CBL t q =∆∆=∆∆ a=CBLI =10m/s 2所以杆做a=10m/s 2的匀加速直线运动（3）F-BIL=ma F=BIL+ma=1.05NV=at=20m/sP=Fv=1.05×20=21W如有侵权请联系告知删除，感谢你们的配合！。
2025高考物理总复习电磁感应中的含电容器问题模型
此时电容器的电荷量q=CU=1×10-2 C。
(2)导体棒在 F1 作用下运动,根据牛顿第二定律可得 F1-mgsin α-BId=ma1
又有
Δ
I=
Δ
=
Δ
Δ
,a=
Δ
Δ
联立解得
1 - sin
a1=
=20
+ 2 2 2
由功能关系 W=E-E0 及 W=qU,结合 Q-U 关系图线,可知电容器所储存的电能
与其极板间的电压及电容间的关系式为
1
1
1
E= QU= CU·
U= CU2。
2
2
2
(2)当导体棒获得向右的初速度v0时,切割磁感线产生动生电动势给电容器
充电,设充电电流为I,则导体棒所受安培力大小为
FA=BIL,方向水平向左
恒力F1=0.54 N作用于导体棒,使导体棒从静止开始运动,经t时间后到达B
处,速度v=5 m/s。此时,突然将拉力方向变为沿导轨向下,大小变为F2,又经
2t时间后导体棒返回到初始位置A处,整个过程电容器未被击穿。求:
(1)导体棒运动到B处时,电容器C上的电荷量;
(2)t的大小;
(3)F的大小。
答案 (1)1×10-2 C (2)0.25 s (3)0.45 N
以恒定的加速度匀加速运动。
,所以杆
安=ma,a=
+ 2 2
典题1 如图所示,间距为L的平行光滑金属导轨水平固定,导轨平面处在竖
直向下、磁感应强度大小为B的匀强磁场中。导轨左端连接有电容为C的
平行板电容器,质量为m、电阻不可忽略的导体棒垂直导轨放置在导轨上,
高三高考物理复习专题练习：电磁感应
电磁感应1.［多选］如图甲所示，电阻R1=R, R 2=2 R,电容为C的电容器,圆形金属线圈半径为广2,线圈的电阻为R半径为r1(r1<r2)的圆形区域内存在垂直线圈平面向里的匀强磁场，磁感应强度B随时间t 变化的关系图象如图乙所示,t「12时刻磁感应强度分别为B「B2,其余导线的电阻不计，闭合开关S,至11时刻电路中的电流已稳定，下列说法正确的是 ()图甲图乙A.电容器上极板带正电B.11时刻,电容器的带电荷量为：孙而C.11时刻之后，线圈两端的电压为；D.12时刻之后,R1两端的电压为■ ■2.［多选］如图甲所示,abcd是位于竖直平面内的正方形闭合金属线框，在金属线框的下方有一磁感应强度为B的匀强磁场区域,MN和M W是匀强磁场区域的水平边界并与线框的bc 边平行,磁场方向与线框平面垂直现金属线框由距MN的某一高度从静止开始下落，图乙是金属线框由开始下落到完全穿过匀强磁场区域的v-t图象.已知金属线框的质量为m，电阻为R,当地的重力加速度为g，图象中坐标轴上所标出的匕、v2、v3、t p 12、13、14均为已知量(下落过程中线框abcd始终在竖直平面内，且bc边始终水平).根据题中所给条件，以下说法正确的是()图甲图乙A.可以求出金属线框的边长B.线框穿出磁场时间(t4-t3)等于进入磁场时间(t2-t1)C.线框穿出磁场与进入磁场过程所受安培力方向相同D.线框穿出磁场与进入磁场过程产生的焦耳热相等3.［多选］如图所示,x轴上方第一象限和第二象限分别有垂直纸面向里和垂直纸面向外的匀强磁场，且磁感应强度大小相同，现有四分之一圆形线框。
〃乂绕。
点逆时针匀速转动，若规定线框中感应电流/顺时针方向为正方向,从图示时刻开始计时，则感应电流I及ON边所受的安培力大小F随时间t的变化示意图正确的是（）A BCD4.［多选］匀强磁场方向垂直纸面,规定垂直纸面向里的方向为正方向，磁感应强度B随时间t的变化规律如图甲所示.在磁场中有一细金属圆环，圆环平面位于纸面内,如图乙所示.令11、12、13分别表示Oa、ab、bc段的感应电流工、力、力分别表示感应电流为11、12、13时，金属环上很小一段受到的安培力.则（）A.11沿逆时针方向,12沿顺时针方向B.12沿逆时针方向,13沿顺时针方向C f1方向指向圆心石方向指向圆心D外方向背离圆心向外右方向指向圆心5.［多选］如图所示，光滑水平面上存在有界匀强磁场，磁感应强度大小为B，方向垂直纸面向里, 质量为m、边长为a的正方形线框ABCD斜向穿进磁场，当AC刚进入磁场时线框的速度大小为％方向与磁场边界所成夹角为45°，若线框的总电阻为凡则（）A.线框穿进磁场的过程中，框中电流的方向为D T C T B T A T DB AC刚进入磁场时线框中感应电流为一，镇铲。
电磁感应和电容测试题(第二次月考)
电磁感应和电容器测试题（第二次月考）时间：60分钟满分：150分班级：姓名：分数：答题卡（请将正确的答案填写在相应的题号下）一、选择题（每小题3分， 40个小题，共120分）二、选择题：（每题2分，共30分）试题一、选择题（每小题3分， 40个小题，共120分）1.条形磁铁磁场最强的地方是（）。
（容易）A.磁铁两极B.磁铁中心点C.磁感线中间位置D.无法确定2.关于磁场和磁力线的描述，正确的说法是（）。
（中等难度）A.磁极之间存在着相互作用力，同名磁极互相吸引，异名磁极互相排斥B.磁力线可以形象地表示磁场的强弱与方向C.磁力线总是从磁极的北极出发，终止于南极D.磁力线的疏密反映磁场的强弱，磁力线越密表示磁场越弱，磁力线越疏表示磁场越强3.关于磁感线下列说法正确的是（）（容易）A.磁感线是客观存在的有方向的曲线。
B.磁感线总是始于N极而终于S极。
C.磁感线上的箭头表示磁场方向。
D.磁感线上某处小磁针静止时，N极所指方向应与该处曲线的切线方向一致。
4.空心线圈被插入铁芯后（）（中等难度）A.磁性将大大增强。
B.磁性将减弱。
C.磁性基本不变。
D.不能确定。
5.关于磁力线的说法下列正确的是（）（容易）A.磁力线是磁场中客观存在的有方向曲线B.磁力线始于磁铁北极而终于磁铁南极C.磁力线上的箭头表示磁场方向D.磁力线上某点处于小磁针静止时北极所指的方向于该点曲线方向一定一致.6.如图所示，通电的导体在磁场中受电磁力作用，正确的是（）（容易）7.如图所示，通电导体受力方向为（）（容易）A.垂直向上B.垂直向下C.水平向左D.水平向右8.右手螺旋定则是判断（）方向（容易）A.电流产生的磁场B.电压C. 载流导体在磁场中受力D.以上都对9.如图所示，在电磁铁的左侧放置了一根条形磁铁，当合上开关S 以后，电磁铁与条形磁铁之间（）。
（较难）A.互相排斥B.互相吸引C.静止不动D.无法判断10.判定通电线圈产生磁场的方向用（）（中等难度）A.右手定则B.右手螺旋定则C.左手定则D.楞次定律11.通电直导体在磁场中受力方向可用（）判断。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
专题:电磁感应现象中有关电容器类问题1、电磁轨道炮利用电流与磁场的作用使炮弹获得超高速度,其原理可用来研制新武器与航天运载器。
电磁轨道炮示意如图,图中直流电源电动势为E,电容器的电容为C。
两根固定于水平面内的光滑平行金属导轨间距为L,电阻不计。
炮弹可视为一质量为m、电阻为R的金属棒MN,垂直放在两导轨间处于静止状态,并与导轨良好接触。
首先开关S接1,使电容器完全充电。
然后将S接至2,导轨间存在垂直于导轨平面、磁感应强度大小为B的匀强磁场(图中未画出),MN 开始向右加速运动。
当MN上的感应电动势与电容器两极板间的电压相等时,回路中电流为零,MN达到最大速度,之后离开导轨。
问:(1)磁场的方向;(2)MN刚开始运动时加速度a的大小;(3)MN离开导轨后的最大速度v m的大小。
试题分析:(1)根据通过MN电流的方向,结合左手定则得出磁场的方向.(2)根据欧姆定律得出MN刚开始运动时的电流,结合安培力公式,根据牛顿第二定律得出MN刚开始运动时加速度a的大小.(3)开关S接2后,MN开始向右加速运动,速度达到最大值时,根据电动势与电荷量的关系,以及动量定理求出MN离开导轨后最大速度、解:(1)电容器上端带正电,通过MN的电流方向向下,由于MN向右运动,根据左手定则知,磁场方向垂直于导轨平面向下.2、一对无限长平行导轨位于竖直平面内,轨道上串联一电容器C(开始未充电)、另一根质量为m 的金属棒ab 可沿导轨下滑,导轨宽度为L,在讨论的空间范围内有磁感应强度为B 、方向垂直整个导轨平面的匀强磁场,整个系统的电阻可以忽略,ab 棒由静止开始下滑,求它下滑h 高度时的速度v 、解:设ab 棒下滑过程中某一瞬时加速度为a i ,则经过一微小的时间间隔Δt,其速度的增加量为Δv=a i ·Δt 、棒中产生的感应电动势的增加量为:ΔE=BL Δv=BLa i ·Δt电容器的极板间电势差的增加量为:ΔU i =ΔE=BLa i ·Δt电容器电荷量的增加量为:ΔQ=C ·ΔU=CBLa i ·Δt电路中的充电电流为:I=tQ ∆∆=CBLa i ab 棒所受的安培力为:F=BLI=CB 2L 2a i由牛顿第二定律得:mg-F=ma i ,即mg-CB 2L 2a i =ma i ,所以,a i =22L CB m mg +,可见,棒的加速度与时间无关,就是一个常量,即棒ab 向下做匀加速直线运动、所以要求的速度为v=2222LCB m mgh ah +=、3、如图所示,处于匀强磁场中的两根足够长且电阻不计的平行金属导轨相距L,导轨平面与水平面重合,左端用导线连接电容为C 的电容器(能承受的电压足够大).已知匀强磁场的磁感应强度大小为B 、方向竖直向上.一质量为m 、电阻不计的直金属棒垂直放在两导轨上,一根绝缘的、足够长的轻绳一端与棒的中点连接,另一端跨过定滑轮挂一质量为m 的重物.现从静止释放重物并通过轻绳水平拖动金属棒运动(金属棒始终与导轨垂直并保持良好接触,不计滑轮质量与所有摩擦).求:(1)若某时刻金属棒速度为v,则电容器两端的电压多大？(2)求证:金属棒的运动就是匀加速直线运动;(3)当重物从静止开始下落一定高度时,电容器带电量为Q,则这个高度h 多大？解:(1)电容器两端的电压U 等于导体棒上的电动势E,有:U=E=BLv(2)金属棒速度从v 增大到v+△v 的过程中,用时△t(△t →0),加速度为a,有: 电容器两端的电压为:U=BLv电容器所带电量为:式中各量都就是恒量,加速度保持不变,故金属棒的运动就是匀加速直线运动. (3)由于金属棒做匀加速直线运动,且电路中电流恒定4、如图所示,有一间距为L且与水平方向成θ角的光滑平行轨道,轨道上端接有电容器与定值电阻,S为单刀双掷开关,空间存在垂直轨道平面向上的匀强0磁场,磁感应强度为B。
将单刀双掷开关接到a点,一根电阻不计、质量为m的导体棒在轨道底端获得初速度v0后沿着轨道向上运动,到达最高点时,单刀双掷开关接b 点,经过一段时间导体棒又回到轨道底端,已知定值电阻的阻值为R,电容器的电容为C,重力加速度为g,轨道足够长,轨道电阻不计,求:(1)导体棒上滑过程中加速度的大小;(2)若已知导体棒到达轨道底端的速度为v,求导体棒下滑过程中定值电阻产生的热量与导体棒运动的时间。
解:(1)导体棒上滑的过程中,根据牛顿第二定律得:又,有:联立解得:(2)导体棒上滑过程中,有导体棒下滑的过程中,由动量定理得:而联立解得:导体棒下滑的过程中,由能量守恒定律得:解得:5、如图,两条平行导轨所在平面与水平地面的夹角为θ,间距为L、导轨上端接有一平行板电容器,电容为C、导轨处于匀强磁场中,磁感应强度大小为B,方向垂直于导轨平面.在导轨上放置一质量为m的金属棒,棒可沿导轨下滑,且在下滑过程中保持与导轨垂直并良好接触.已知金属棒与导轨之间的动摩擦因数为μ,重力加速度大小为g 、忽略所有电阻.让金属棒从导轨上端由静止开始下滑,求:(1)电容器极板上积累的电荷量与金属棒速度大小的关系;(2)金属棒的速度大小随时间变化的关系.解:(1)设金属棒下滑的速度大小为v ,则感应电动势为E ＝BLv ①平行板电容器两极板之间的电势差为U ＝E ②设此时电容器极板上积累的电荷量为Q ,按定义有C ＝Q U③ 联立①②③式得Q ＝CBLv ④(2)设金属棒的速度大小为v 时经历的时间为t ,通过金属棒的电流为i 、金属棒受到的磁场的作用力方向沿导轨向上,大小为F ＝BLi ⑤设在时间间隔(t ,t ＋Δt )内流经金属棒的电荷量为ΔQ ,按定义有⑥ΔQ也就是平行板电容器极板在时间间隔(t,t＋Δt)内增加的电荷量.由④式得ΔQ＝CBLΔv⑦式中,Δv为金属棒的速度变化量.按定义有⑧金属棒所受到的摩擦力方向斜向上,大小为F f＝μF N⑨式中,F N就是金属棒对于导轨的正压力的大小,有F＝mg cos θ⑩N金属棒在时刻t的加速度方向沿斜面向下,设其大小为a,根据牛顿第二定律有mg sin θ－F－F＝ma⑪f联立⑤至⑪式得⑫由⑫式及题设可知,金属棒做初速度为零的匀加速运动.t时刻金属棒的速度大小为6、在光滑水平地面上,两根彼此平行的光滑导轨PQ、MN相距为L=1m,在它们的末端垂直PQ、MN跨放一金属杆ab,ab的质量为m=0.005kg,在导轨的另一端连接一个已经充电的电容器,电容器的电容C=200F,有一匀强磁场,方向垂直导轨PQ、MN所在平面向下,如图所示,磁感强度为B=0、5T.(除导轨PQ、MN与金属杆ab外其余部分都就是绝缘的)当闭合电键K时,ab杆将从导轨上冲出,并沿光滑斜面升到高为0.2m处,这过程电容器两端电压减小了一半,求:(1)磁场对金属杆ab冲量的大小.(2)电容器原来充电电压就是多少.7、如图所示,水平桌面上放置一U形金属导轨,两导轨平行,间距为L,导轨距水平地面高h。
导轨左端连接有一个电源、一个单刀双掷开关、一个电容器。
电源电动势为E,内电阻为r,电容器电容为C。
一根质量为m不计电阻的裸导线放在导轨上,方向与导轨垂直,导轨所在平面有一个方向向下的匀强磁场,磁感应强度为B。
先将单刀双掷开关拨到a;待电路稳定后将单刀双掷开关拨到b。
开关拨到b 后,导线在安培力作用下向右运动离开导轨,然后做平抛运动直至落到水平地面上。
(1)在开关拨到a到电路稳定的过程中,画出电容器电压u随电量q变化的图象。
(2)结合(1)中所画图象,求稳定时电容器储存的能量E C。
(3)导线落到水平地面,此时电容器两端的电压为,求落地位置与导轨右端的水平距离x及开关拨到b后电阻R上产生的热Q R。
解:(1)电容器充电完毕后,电容器两端的电压等于电源的电动势,所以电容器的带电量:q=CE根据电容器的定义式:C=q /U所以:u=q,电压与电量成正比,所以画出u-q的图线如图:充电的过程中克服电场力做的功:W=qU所以图线与横坐标围成的面积即为电容器储存的能量.有:E0＝EQ联立得:E0＝CE2(3)根据平抛运动的规律可得由动量定理,It=q,q=EC联立解得由能量关系可知,此过程中R上产生的焦耳热:点睛:本题就是电磁感应与电路、力学知识的综合,解答的关键就是由电路的串联关系先求出电容器两端的电压,再根据动量定理及电量表达式求出导体棒最大速度.同时要搞清能量转化关系、8、某同学设计了一个电磁击发装置,其结构如图所示。
间距为L=10cm的平行长直导轨置于水平桌面上,导轨中NO与N′O′段用绝缘材料制成,其余部分均为导电金属材料,两种材料导轨平滑连接。
导轨左侧与匝数为100匝、半径为5cm 的圆形线圈相连,线圈内存在垂直线圈平面的匀强磁场。
电容为1F的电容器通过单刀双掷开关与导轨相连。
在轨道间MPP′M′矩形区域内存在垂直桌面向上的匀强磁场,磁感强度为2T。
磁场右侧边界PP′与OO′间距离为a =4cm。
初始时金属棒A处于NN′左侧某处,金属棒B处于OO'左侧距OO'距离为a处。
当开关与1连接时,圆形线圈中磁场随时间均匀变化,变化率为;稳定后将开关拨向2,金属棒A被弹出,与金属棒B相碰,并在B棒刚出磁场时A棒刚好运动到OO′处,最终A棒恰在PP′处停住。
已知两根金属棒的质量均为0.02kg、接入电路中的电阻均为0、1Ω,金属棒与金属导轨接触良好,其余电阻均不计,一切摩擦不计。
问:(1)当开关与1连接时,电容器电量就是多少？下极板带什么电？(2)金属棒A与B相碰后A棒的速度v就是多少？(3)电容器所剩电量Q′就是多少？【解析】(1)将开关拨向2 时A 棒会弹出说明所受安培力向右,电流向上,故电容器下板带正电;(2) A、B 棒相碰地方发生时没有构成回路,没有感应电流,A、B 棒均作匀速直线运动直至A 棒到达OO′处, 设碰后A 棒速度为v ,由于B 棒的位移就是A 棒的两倍,故B 棒速度就是2v。
A 棒过OO′ 后在安培力作用下减速。
由动量定理可知:即两边求与可得,即;(3) 设A 棒与B 棒碰前的速度为v0,碰撞过程动量守恒,则有:mv0=mv+2mv,可得A 棒在安培力作用下加速,则有:即两边求与得:得代入前面的数据可知,电容器所剩电量为。