电磁导轨问题涉及力学、功能关系、电磁学等一系列基本概念、课件.ppt
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- 电磁 导轨 问题 涉及 力学 功能 关系 电磁学 一系列 基本概念 课件
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1、电磁导轨问题涉及力学、功能关电磁导轨问题涉及力学、功能关系、电磁学等一系列基本概念、基本系、电磁学等一系列基本概念、基本规律和科学思维方法。分清不同性质规律和科学思维方法。分清不同性质的导轨,熟悉各种导轨中导体的运动的导轨,熟悉各种导轨中导体的运动性质、能量转化特点和极值规律,对性质、能量转化特点和极值规律,对于吃透基本概念,掌握基本规律,提于吃透基本概念,掌握基本规律,提高科学思维和综合分析能力,具有重高科学思维和综合分析能力,具有重要的意义。要的意义。电电 磁磁 导导 轨轨 问问 题题 归归 类类 分分 析析一、发电式导轨的基本特点和规律一、发电式导轨的基本特点和规律如图如图1所示,间距为
2、所示,间距为l的平行导轨与电阻的平行导轨与电阻R相连,相连,整个装置处在大小为整个装置处在大小为B、垂直导轨平面向上的、垂直导轨平面向上的匀强磁场中,质量为匀强磁场中,质量为m、电阻为、电阻为r的导体从静止的导体从静止开始沿导轨滑下,已知导体与导轨的动摩擦因开始沿导轨滑下,已知导体与导轨的动摩擦因数为数为。BFNFmgfBmR1图1、电路特点、电路特点 导体为发电边,与电源等效,当导体的导体为发电边,与电源等效,当导体的速度为速度为v时,其中的电动势为时,其中的电动势为 E=Blv主干知识主干知识2、安培力的特点、安培力的特点 安培力为运动阻力,并随速度按正比安培力为运动阻力,并随速度按正比规
3、律增大。规律增大。vrRvlBlrRBlvBBIlFB223、加速度特点加速度特点 加速度随速度增大而减小,导体做加速度减小的加速加速度随速度增大而减小,导体做加速度减小的加速运动运动mrRvlBmgmga)/(cossin224、两个极值的规律、两个极值的规律 当当v=0时,时,FB=0,加速度最大为,加速度最大为am=g(sin-cos)当当a=0时,时,F=0,速度最大,根据平衡条件有,速度最大,根据平衡条件有)(22rRvlBmmgsin=mgcos+所以,最大速度为所以,最大速度为:22)(cos(sinlBrRmgvm 5、匀速运动时能量转化规律、匀速运动时能量转化规律当导体以最大
4、速度匀速运动时,重力的机械功率等于安培力当导体以最大速度匀速运动时,重力的机械功率等于安培力功率(即电功率)和摩擦力功率之和,并均达到最大值。功率(即电功率)和摩擦力功率之和,并均达到最大值。PG=PF+Pf cos)(sin22mfmmmmmmFmGmgvPrRIrREEIvFPmgvP当当=0时,重力的机械功率就等于安培力功率,也等于电时,重力的机械功率就等于安培力功率,也等于电功率,这是发电导轨在匀速运动过程中,最基本的能量转化和守功率,这是发电导轨在匀速运动过程中,最基本的能量转化和守恒规律。恒规律。)(22rRIrREmmmgvmsin=Fmvm=ImEm二、电动式导轨的基本特点和规
5、律二、电动式导轨的基本特点和规律 BFfmgNFv反ERrE,图图2如图如图2所示,间距为所示,间距为l的平行导轨水平放置,与电动势为的平行导轨水平放置,与电动势为E、内阻、内阻为为r的电源连接,处在大小为的电源连接,处在大小为B、方向竖直向上的匀强磁场中。当、方向竖直向上的匀强磁场中。当电路闭合时,质量为电路闭合时,质量为m、电阻为、电阻为R的导体从静止开始沿导轨运动,的导体从静止开始沿导轨运动,与导轨的动摩擦因数为与导轨的动摩擦因数为。FB=BIl=lrRBlvEBlrREEB)反(3加速度特点加速度特点加速度随速度增大而加速度随速度增大而减小,导体做加速度减小,导体做加速度减小的加速运动
6、。减小的加速运动。mmgFaB1电路特点电路特点导体为电动边,与反电动势用电器(电动机)等效。导体为电动边,与反电动势用电器(电动机)等效。2安培力的特点安培力的特点安培力为运动动力,并随速度增大而减小。安培力为运动动力,并随速度增大而减小。mmgFalBIFrREImmmmm,lBIFrRBlvEImminminmin,4、两个极值规律、两个极值规律当当v=0时,时,E反反=0,电流、安培力和加速度最大且分别为,电流、安培力和加速度最大且分别为 这就是大型电动机启动时,为了防止电流过大而烧坏绕组线这就是大型电动机启动时,为了防止电流过大而烧坏绕组线圈是串联启动电阻的原因。圈是串联启动电阻的原
7、因。当当a=0时,时,F=0,速度最大,电流最小,安培力最小。,速度最大,电流最小,安培力最小。lrRBlvEBm 据平衡条件有:mg=Fmin=BIminl=22)(lBrRmgBlEvm所以最大速度为:所以最大速度为:BlEvm当当=0时,时,即,即E=Blvm=E反反,这是电路中电流为零。,这是电路中电流为零。m2minminminmgv)rR(I反EIEI)rR(I2minminmin反EIEI5、匀速运动时的能量转化规律、匀速运动时的能量转化规律当导体以最大速度匀速运动时,电源功率等于导体的当导体以最大速度匀速运动时,电源功率等于导体的机械功率(即安培力功率)、和摩擦力功率之和。机械
8、功率(即安培力功率)、和摩擦力功率之和。当当=0时,电源的功率等于导体的机械功率和焦耳热时,电源的功率等于导体的机械功率和焦耳热功率之和,这是电动式导轨在匀速运动时最基本的能功率之和,这是电动式导轨在匀速运动时最基本的能量转化和守恒规律。量转化和守恒规律。hBMBF反ErE,BFMvmmvmR三、双动式综合导轨的基本特点和规律三、双动式综合导轨的基本特点和规律如图所示,宽为如图所示,宽为l的光滑平行导轨的水平部分处于方向垂直导轨的光滑平行导轨的水平部分处于方向垂直导轨平面向上的匀强磁场中。质量为平面向上的匀强磁场中。质量为m、电阻为、电阻为r的导体从高的导体从高h处由静止处由静止开始滑下,而且
9、与原来静止在水平轨道上质量为开始滑下,而且与原来静止在水平轨道上质量为M、电阻为、电阻为R的导的导体始终没有碰撞。体始终没有碰撞。1、电路特点、电路特点两导体同方向运动,开始电动势较大的为发电边,与电源等效;两导体同方向运动,开始电动势较大的为发电边,与电源等效;电动势较小的为电动边,与电动机等效。电动势较小的为电动边,与电动机等效。rRvvBlrRBlvBlvIMmMm)(rRvvlBBIlFMmB)(222、电流特点、电流特点导体导体m进入磁场后,开始切割磁感线,产生感应电动势,并在回进入磁场后,开始切割磁感线,产生感应电动势,并在回路中形成感应电流;同时,在安培力的作用下,导体路中形成感
10、应电流;同时,在安培力的作用下,导体M也同向运动也同向运动,产生反电动势。根据欧姆定律,电路中的电流可以表示为:,产生反电动势。根据欧姆定律,电路中的电流可以表示为:3、安培力、加速度特点、安培力、加速度特点安培力对发电边为阻力,对电动边为动力,在轨道宽度不变的安培力对发电边为阻力,对电动边为动力,在轨道宽度不变的情况下,两边的安培力大小相等,方向相反即矢量和为零。安培情况下,两边的安培力大小相等,方向相反即矢量和为零。安培力的大小可表示为:力的大小可表示为:所以安培力也随两导体的相对速度所以安培力也随两导体的相对速度vm-vM的减小而减小。当的减小而减小。当vM=0时安培力最大。当时安培力最
11、大。当vm=vM,安培力,安培力FB=0据牛顿第二定律知:加速度据牛顿第二定律知:加速度a随安培力的变化而变化随安培力的变化而变化 所以电流随两导体的相对速度所以电流随两导体的相对速度vm-vM的减小而减小。当的减小而减小。当vM=0时电流时电流最大。当最大。当vm=vM,电流,电流I=0ghvv20maxMmmvvvMmmv00)(4、速度极值根据机械能守恒定律,发电边进入水平轨道时速度的最大值为当两者达到共同速度时,发电边的速度达到最小值,电动边的速度达最大值。根据系统动量守恒,所以有QvMmmgh2)(21MmMmghvMmmghQ2)(21RrQQRr5、全过程系统产生的热、全过程系统
12、产生的热当相对速度为零,即当相对速度为零,即vm=vM=v时,电流为零,回路不再消耗电时,电流为零,回路不再消耗电能能两导体开始以共同速度两导体开始以共同速度v匀速运动。根据全过程中能转化匀速运动。根据全过程中能转化和守恒规律,有和守恒规律,有所以全过程中系统产生的热为:所以全过程中系统产生的热为:6、全过程两导体产生的热量之比与电阻成正比、全过程两导体产生的热量之比与电阻成正比根据连导体串联电路中,每时刻通过的电流相等,从而有根据连导体串联电路中,每时刻通过的电流相等,从而有Q=I2Rt所以全过程中两导体产生的热之比为:所以全过程中两导体产生的热之比为:EC1BBFS2四、电容放电式导轨的基
13、本特点和规律四、电容放电式导轨的基本特点和规律 如图所示,光滑水平轨道的间距为如图所示,光滑水平轨道的间距为l,处在大小为,处在大小为B、方向竖直向上的匀强磁场中。导轨上皆有电动势为方向竖直向上的匀强磁场中。导轨上皆有电动势为E的的电源和电容为电源和电容为C的电容器,一根质量为的电容器,一根质量为m的导体静止在的导体静止在导轨上,若将单刀双掷开关导轨上,若将单刀双掷开关s先掷于位置先掷于位置1,对电容器充,对电容器充电;然后掷于位置电;然后掷于位置2,让电容器放电。,让电容器放电。1、电路特点、电路特点电容器放电,导体为电动边电容器放电,导体为电动边2、电流特点、电流特点当电容次对导体放电时,
14、导体在安培力的作用下开始当电容次对导体放电时,导体在安培力的作用下开始向右运动,同时产生阻碍放电的反电动势,使电流减向右运动,同时产生阻碍放电的反电动势,使电流减小直到电流为零为止。小直到电流为零为止。3、运动特点、运动特点导体在安培力作用下,先做加速度减小的加速运动,导体在安培力作用下,先做加速度减小的加速运动,当电流为零时,速度达到最大值,然后开始做匀速运当电流为零时,速度达到最大值,然后开始做匀速运动。动。4、匀速运动的条件、匀速运动的条件电流电流I=0,即导体的反电动势等于电容器的电压,即导体的反电动势等于电容器的电压U=E反反=Blvm电容器的充电电压为电容器的充电电压为E,放电过程
15、中电压降低;导,放电过程中电压降低;导体在加速过程中速度增加,凡电动势增大当导体中体在加速过程中速度增加,凡电动势增大当导体中的反电动势等于电容器的电压时,电路中电流为零,的反电动势等于电容器的电压时,电路中电流为零,导体开始以最大速度导体开始以最大速度vm匀速运动。匀速运动。5、最大速度的计算、最大速度的计算根据电容器的充电量为根据电容器的充电量为Q0=CE,放电结束时的电量,放电结束时的电量为为Q=CU=CBlvm,所以电容器放电结束时的电量为,所以电容器放电结束时的电量为 Q=Q0-Q=CE-CBlvm 根据动量定理有根据动量定理有 mvm=Ft=Bi lt=BlQ 所以,导体的最大速度
16、为所以,导体的最大速度为 22lCBmBlCEvm顺便指出,此结果代入式,还可计算出电容器的放电量。22lCBmmBClEmvIm22222)(2)(21lCBmBlCEmmvWm6、安培力对导体的冲量和对导体做功的计算、安培力对导体的冲量和对导体做功的计算根据动量定理和动能定理,安培力对导体的冲量和做根据动量定理和动能定理,安培力对导体的冲量和做的功分别为的功分别为mgBFmgBh五、电容充电式导轨的基本特五、电容充电式导轨的基本特点和规律点和规律如图所示,宽为如图所示,宽为l的光滑竖直导的光滑竖直导轨,处于磁感应强度为轨,处于磁感应强度为B方向垂方向垂直导轨平面的匀强磁场中,上端直导轨平面
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