例14 如图11-18所示,A,B是两个完全相同的灯泡,L是自感系数较大的线圈,其直流电阻忽略不计。当电键K闭合时,下列说法正确的是 [ ]
A.A比B先亮,然后A熄灭
B.B比A先亮,然后B逐渐变暗,A逐渐变亮
C.AB一齐亮,然后A熄灭
D.A、人一齐亮.然后八逐渐变亮.D的亮度不变
【错解】
当电键闭合时.A灯与线圈L串联,B灯与R串联后分别并联于电源两端。虽然K闭合瞬间线圈会产生自感,即阻碍通过线圈支路电流的的增加。但A灯与L串联后并联接在电源上。电源两端有电压,就会有电流,所以AB都应该同时亮起来。只是闭合K的瞬间A灯不能达到应有的电流而亮度发暗。K闭合一段时间后两灯达到同样的亮度。所以A灯逐渐变亮,B灯亮度不发生变化,选D。
【错解原因】
选择D选项时对自感现象理解不够。在K闭合的瞬间,通过每盏灯的电流到底怎样变化不清楚。
【分析解答】
电键闭合的瞬间,线圈由于自感产生自感电动势,其作用相当于一个电源。这样对整个回路而言相当于两个电源共同作用在同一个回路中。两个电源各自独立产生电流,实际上等于两个电流的叠加。根据上述原理可在电路中标出两个电源各自独立产生的电流的方向。
图11-19a、b是两电源独立产生电流的流向图,C图是合并在一起的电流流向图。由图可知、在A灯处原电流与感应电流反向,故A灯不能立刻亮起来。在B灯处原电流与感应电流同向,实际电流为两者之和,大于原电流。故B灯比正常发光亮(因正常发光时电流就是原电流)。随着自感的减弱,感应电流减弱,A灯的实际电流增大,B灯实际电流减少,A变亮,B灯变暗,直到自感现象消失,两灯以原电流正常发光。应选B。
例15 如图 11-20所示光滑平行金属轨道abcd,轨道的水平部分bcd处于竖直向上的匀强磁场中,bc部分平行导轨宽度是cd部分的2倍,轨道足够长。将质量相同的金属棒P和Q分别置于轨道的ab段和cd段。P棒位于距水平轨道高为h的地方,放开P棒,使其自由下滑,求P棒和Q棒的最终速度。
【错解】
设P,Q棒的质量为m,长度分别为2l和l,磁感强度为B,P棒进入水平轨道的速度为v0,对于P棒,运用机械能守恒定律得
当P棒进入水平轨道后,切割磁感线产生感应电流。P棒受到安培力作用而减速,Q棒受到安培力而加速,Q棒运动后也将产生感应电动势,与P棒感应电动势反向,因此回路中的电流将减小。最终达到匀速运动时,回路的电流为零,所以
εP=εQ
即2BlvP=BlvQ
2vp=vQ
对于P,Q棒,运用动量守恒定律得到
mv0=mvp+mvQ
【错解原因】
错解中对P,Q的运动过程分析是正确的,但在最后求速度时运用动量守恒定律出现错误。因为当P,Q在水平轨道上运动时,它们所受到的合力并不为零。FP=2Bll FQ=Bll(设I为回路中的电流),因此P,Q组成的系统动量不守恒。
【分析解答】
设P棒从进入水平轨道开始到速度稳定所用的时间为△t,P,Q
对PQ分别应用动量定理得
【评析】
运用动量守恒定律和机械能守恒定律之前,要判断题目所给的过程是否满足守恒的条件。动量守恒的条件是:系统所受的合外力为零,或者是在某一方向上所受的合外力为零,则系统在该方向上动量的分量守恒。
例16 在如图11-21所示的水平导轨上(摩擦、电阻忽略不计),有竖直向下的匀强磁场,磁感强度B,导轨左端的间距为L1=4l0,右端间距为l2=l0。今在导轨上放置ACDE两根导体棒,质量分别为m1=2m0,m2=m0,电阻R1=4R0,R2=R0。若AC棒以初速度V0向右运动,求AC棒运动的过程中产生的总焦耳热QAC,以及通过它们的总电量q。
【常见错解】
AC棒在磁场力的作用下,做变速运动。运动过程复杂,应从功能关系的角度来分析。由于没有摩擦,最后稳定的状态应为两棒做匀速运动。根据动量守恒定律m1v0=(m1+m2)v′
整个回路产生的焦耳热
因为R1=4R0,R2=R0。所以AC棒在运动过程中产生的焦耳热
对AC棒应用动量定理-Bll·△t=m1v′1-m1v0
【错解原因】
AC棒在磁场力的作用下做变速运动,最后达到运动稳定,两棒都做匀速运动的分析是正确的。但是以此类推认为两棒的运动速度相同是错误的。如果两棒的速度相同则回路中还有磁通量的变化,还会存在感应电动势,感应电流还会受到安培力的作用,AC,DE不可能做匀速运动。
【分析解答】
由于棒l1向右运动,回路中产生电流,ll受安培力的作用后减速,l2受安培力加速使回路中的电流逐渐减小。只需v1,v2满足一定关系,
两棒做匀速运动。
两棒匀速运动时,I=0,即回路的总电动势为零。所以有
Bllv1=Bl2v2
再对DE棒应用动量定理B l2·△t=m2v2
【评析】
以前我们做过类似的题。那道题中的平行轨道间距都是一样的。有一些同学不假思索,把那道题的结论照搬到本题中来,犯了生搬硬套的错误。差异就是矛盾。两道题的差别就在平行导轨的宽度不一样上。如何分析它们之间的差别呢?还是要从基本原理出发。平行轨道间距一样的情况两根导体棒的速度相等,才能使回路中的磁通量的变化为零。本题中如果两根导轨的速度一样,由于平行导轨的宽度不同导致磁通量的变化不为零,仍然会有感应电流产生,两根导体棒还会受到安培力的作用,其中的一根继续减速,另一根继续加速,直到回路中的磁通量的变化为零,才使得两根导体棒做匀速运动。抓住了两道题的差异之所在,问题就会迎刃而解。
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