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基于高中知識導體棒的處理方法技巧性分析

2024-04-09 15:51:02信息公告39

以下內容大部分基于高中知識V88物理好資源網(原物理ok網)

電容電路中導體棒的運動是高中電磁感應問題的經典模型。 其加工方法技術性很強,但也比較固定。V88物理好資源網(原物理ok網)

一、傳統方法處理幾種基本情況 1、有初速度且無外力(即有初始電荷)V88物理好資源網(原物理ok網)

安培力方向判斷V88物理好資源網(原物理ok網)

對于這種情況,可以使用直觀的動力學分析V88物理好資源網(原物理ok網)

ma=BiLV88物理好資源網(原物理ok網)

然后將等式兩邊求和。 這是一個經典的技術。V88物理好資源網(原物理ok網)

sum_{}^{}{maDelta t}=sum_{}^{}{BLiDelta t}V88物理好資源網(原物理ok網)

請注意,加速度的積分是速度的變化安培力方向判斷,電流的積分是通過的電荷量。V88物理好資源網(原物理ok網)

mDelta v=BLDelta qV88物理好資源網(原物理ok網)

引入初始條件和最終條件V88物理好資源網(原物理ok網)

初始電量為0V88物理好資源網(原物理ok網)

BLv_{微}=U_{十};q_{十}=CU_{十}V88物理好資源網(原物理ok網)

組織良好V88物理好資源網(原物理ok網)

v_{End}=frac{mv_{0}}{m+B^{2}L^{2}C}V88物理好資源網(原物理ok網)

此時,導體棒的速度將趨于恒定值V88物理好資源網(原物理ok網)

2、有外力但無初速度。V88物理好資源網(原物理ok網)

安培力方向判斷V88物理好資源網(原物理ok網)

這時就可以利用安培力的沖量來進行處理。 當然,動態分析的效果也是一樣的。V88物理好資源網(原物理ok網)

安培力脈沖V88物理好資源網(原物理ok網)

F_{安}=BiLV88物理好資源網(原物理ok網)

F_{安}Delta t=BLiDelta tV88物理好資源網(原物理ok網)

sum_{}^{}{}F_{安}Delta t=sum_{}^{}{}BLiDelta tV88物理好資源網(原物理ok網)

I_{安}=BLDelta qV88物理好資源網(原物理ok網)

所以對于導體棒的動量定理V88物理好資源網(原物理ok網)

mDelta v=-I_{安}+FtV88物理好資源網(原物理ok網)

同樣的原因V88物理好資源網(原物理ok網)

Delta q=CDelta U=BLCDelta vV88物理好資源網(原物理ok網)

組織良好V88物理好資源網(原物理ok網)

Delta v=frac{F}{m+B^{2}L^{2}C}tV88物理好資源網(原物理ok網)

此時,導體棒將以勻加速直線運動。V88物理好資源網(原物理ok網)

3.有外力和初速度。V88物理好資源網(原物理ok網)

這種情況其實和第二種情況類似,但是在和朋友討論的時候,筆者注意到,此時在某些情況下,很容易在判斷安培力的方向時出現錯誤。V88物理好資源網(原物理ok網)

我們看下面的例子V88物理好資源網(原物理ok網)

安培力方向判斷V88物理好資源網(原物理ok網)

如圖所示,有一條足夠長的光滑平行軌道,其間距為L,與水平方向的夾角為θ。 該軌道以電容器和固定值電阻器終止。 磁場強,磁感應強度為B。將單刀雙擲開關接至a點。 質量為 m 的導體棒,無論電阻如何,在軌道底部獲得初速度 v_{0} 并沿軌道向上移動。 當到達最高點時,單刀雙擲開關與b點接通。 點后,一段時間后導桿返回軌道底部。 已知定值電阻的阻值為R,電容器的電容量為C,重力加速度為g,不包括軌道電阻。begV88物理好資源網(原物理ok網)

(1) 當導體棒獲得初速度v_{0}時,電容器的充電量;V88物理好資源網(原物理ok網)

(2) 導體棒向上滑動過程中加速度的大小;V88物理好資源網(原物理ok網)

(3) 已知導體棒到達軌道底部的速度為v,求導體棒滑動過程中定值電阻產生的熱量和導體棒的運動時間。V88物理好資源網(原物理ok網)

我們直接看第二個子問題,是研究導體棒向上滑動的過程。 這個問題的關鍵是確定安培力的方向。 筆者在網上尋找答案時,發現了兩種不同的說法。V88物理好資源網(原物理ok網)

如果我們簡單地將導體棒視為電源,根據右手定則,電流的方向是逆時針方向,安培力的方向是向下的。V88物理好資源網(原物理ok網)

但這個判斷忽略了電容的放電V88物理好資源網(原物理ok網)

在每個小時間間隔內,由于導體棒首先發生減速,因此電容器的電壓(前一時刻的動態電壓)大于導體棒切割磁力線時產生的電壓(前一時刻的動態電壓)。下一刻)。V88物理好資源網(原物理ok網)

U_{C}=BLv_{t}V88物理好資源網(原物理ok網)

U_{棒}=BLv_{t+Delta t}V88物理好資源網(原物理ok網)

由于減速V88物理好資源網(原物理ok網)

v_{t+Delta t}">v_{t}>v_{t+Delta t}V88物理好資源網(原物理ok網)

U_{棒}"> U_{C}>U_{棒}V88物理好資源網(原物理ok網)

因此,電容器的右極板為正極,電流方向為順時針方向,安培力方向為向上。V88物理好資源網(原物理ok網)

確定了安培力的方向后,就可以使用與上一類似的步驟來解決問題。V88物理好資源網(原物理ok網)

mgsintheta-BiL=maV88物理好資源網(原物理ok網)

sum_{}^{}{}mgsinthetaDelta t-sum_{}^{}{}BLiDelta t=sum_{}^{}{}maDelta tV88物理好資源網(原物理ok網)

mgsinthetacdot Delta t-BLDelta q=mDelta vV88物理好資源網(原物理ok網)

又Delta q=CDelta U=BLCDelta vV88物理好資源網(原物理ok網)

組織良好V88物理好資源網(原物理ok網)

Delta v=frac{mgsintheta}{m+B^{2}L^{2}C}tV88物理好資源網(原物理ok網)

導體棒也作勻加速(減速)直線運動。V88物理好資源網(原物理ok網)

我們可以看到,上述三種情況得到的表達式的分母都是相同的,我們可以據此來驗證結果。V88物理好資源網(原物理ok網)

2、電容電路節能研究V88物理好資源網(原物理ok網)

在學習物理的過程中,我們經常發現使用守恒方程進行計算可以避免很多復雜的分析。 下面我們介紹一下電容器的能量公式進行研究。V88物理好資源網(原物理ok網)

儲存在電容器中的能量V88物理好資源網(原物理ok網)

從電容器的定義來看V88物理好資源網(原物理ok網)

U=frac{q}{C}V88物理好資源網(原物理ok網)

電功率還有一個表達方式V88物理好資源網(原物理ok網)

Delta W=UDelta qV88物理好資源網(原物理ok網)

W=sum_{0}^{q}{frac{q}{C}Delta q}V88物理好資源網(原物理ok網)

這里可以簡單積分得到表達式,或者利用函數圖像面積的物理意義(類比彈簧彈性勢能公式)V88物理好資源網(原物理ok網)

W=frac{q^{2}}{2C}=frac{C}{2}U^{2}V88物理好資源網(原物理ok網)

我們以上面的第三種情況為例V88物理好資源網(原物理ok網)

安培力方向判斷V88物理好資源網(原物理ok網)

以初始時刻為引力勢能零點,初始能量為V88物理好資源網(原物理ok網)

E_{1}=frac{1}{2}mv_1^{2}+frac{1}{2}CU_{1}^{2}+0V88物理好資源網(原物理ok網)

假設沿導軌方向的運動x,則此時的能量為V88物理好資源網(原物理ok網)

E_{2}=frac{1}{2}mv_2^{2}+frac{1}{2}CU_{2}^{2}+mgsintheta cdot xV88物理好資源網(原物理ok網)

且U=BLv; E_1=E_2V88物理好資源網(原物理ok網)

組織良好V88物理好資源網(原物理ok網)

2cdotfrac{mgsin theta }{m+B^2L^2C}cdot x=v_1^2-v_2^2V88物理好資源網(原物理ok網)

導體棒作勻加速度直線運動安培力方向判斷,其結果與動力推導相同。V88物理好資源網(原物理ok網)

我們可以發現,用能量守恒定律進入問題可以避免判斷安培力的方向,并且只需要無腦公式。 電容能量雖然是超等知識,但理解起來并不困難,可以作為驗證的手段。V88物理好資源網(原物理ok網)

安培力方向判斷V88物理好資源網(原物理ok網)

3. 阻力不容忽視的非理想情況V88物理好資源網(原物理ok網)

高中時,我們討論過電容問題中忽略電阻的情況。 如果電阻不能忽略,簡單的微量元素法就會失敗。V88物理好資源網(原物理ok網)

我們將環路電阻等同于 R,然后我們就得到了整個環路的基爾霍夫方程V88物理好資源網(原物理ok網)

U_桿=Ri+u_CV88物理好資源網(原物理ok網)

代入 U_rod=BLv;u_C=frac{q}{C}V88物理好資源網(原物理ok網)

BLv=Ri+frac{q}{C}V88物理好資源網(原物理ok網)

對方程兩邊求導V88物理好資源網(原物理ok網)

BLfrac{dv}{dt}=Rfrac{di}{dt}+frac{1}{C}frac{dq}{dt}V88物理好資源網(原物理ok網)

從 i=frac{dq}{dt}V88物理好資源網(原物理ok網)

BLfrac{dv}{dt}=Rfrac{di}{dt}+frac{1}{C}i (star)V88物理好資源網(原物理ok網)

還有動力學方程V88物理好資源網(原物理ok網)

ma=F-BiLV88物理好資源網(原物理ok網)

寫成微分形式V88物理好資源網(原物理ok網)

mfrac{dv}{dt}=F-BLiV88物理好資源網(原物理ok網)

同時 star 表達式消除了包含 v 的項V88物理好資源網(原物理ok網)

mRCfrac{di}{dt}+(m+B^2L^2C)i-BLCF=0V88物理好資源網(原物理ok網)

frac{di}{dt}+frac{m+B^2L^2C}{mRC}i=frac{BLF}{mR} (starstar)V88物理好資源網(原物理ok網)

這是使用常變分法的一階線性微分方程V88物理好資源網(原物理ok網)

frac{di}{i}=-frac{m+B^2L^2C}{mRC}dtV88物理好資源網(原物理ok網)

lni=-frac{m+B^2L^2C}{mRC}t+V88物理好資源網(原物理ok網)

i=cdot e^{-frac{m+B^2L^2C}{mRC}t}V88物理好資源網(原物理ok網)

i=u(t)cdot e^{-frac{m+B^2L^2C}{mRC}t}V88物理好資源網(原物理ok網)

\frac{di}{dt}=u^{'}(t)cdot e^{-frac{m+B^2L^2C}{mRC}t}-frac{m+B^2L^ 2C}{mRC}u(t)cdot e^{-frac{m+B^2L^2C}{mRC}t}V88物理好資源網(原物理ok網)

代入starstar公式,可得V88物理好資源網(原物理ok網)

frac{du}{dt}=frac{BLF}{mR}cdot e^{frac{m+B^2L^2C}{mRC}t}V88物理好資源網(原物理ok網)

u(t)=frac{BLCF}{m+B^2L^2C}cdot e^{frac{m+B^2L^2C}{mRC}t}+V88物理好資源網(原物理ok網)

所以V88物理好資源網(原物理ok網)

i=cdot e^{-frac{m+B^2L^2C}{mRC}t}+frac{BLCF}{m+B^2L^2C}V88物理好資源網(原物理ok網)

當t=0時,電容沒有充電(需要一個充電過程),所以有V88物理好資源網(原物理ok網)

i_0=frac{BLv_0}{R}V88物理好資源網(原物理ok網)

可確定常數V88物理好資源網(原物理ok網)

=frac{BLv_0}{R}-frac{BLCF}{m+B^2L^2C}V88物理好資源網(原物理ok網)

返回 mfrac{dv}{dt}=F-BLiV88物理好資源網(原物理ok網)

frac{dv}{dt}=frac{F}{m}-frac{BL}{m}(cdot e^{-frac{m+B^2L^2C}{mRC}t}+ frac{BLCF}{m+B^2L^2C})V88物理好資源網(原物理ok網)

a=frac{F}{m+B^2L^2C}-frac{BL}{m}cdot e^{-frac{m+B^2L^2C}{mRC}t}V88物理好資源網(原物理ok網)

當t很大時,加速度趨于恒定值。 注意,這個固定值是忽略阻力時的加速度。V88物理好資源網(原物理ok網)

不可缺少的V88物理好資源網(原物理ok網)

v=v_0+frac{F}{m+B^2L^2C}t+frac{BLCR}{m+B^2L^2C}cdot e^{-frac{m+B^2L^2C}{ mRC}t}V88物理好資源網(原物理ok網)

當R很小時,指數趨于負無窮大,指數函數值趨于0,這是勻加速的情況,這與忽略阻力的計算一致。V88物理好資源網(原物理ok網)

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