专题强化十三动力学、动量和能量观点在电学中的应用讲义.pdf

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1、专业文档 珍贵文档 专题强化十三动力学、动量和能量观点在电学中的应用 专题解读1.本专题是力学三大观点在电学中的综合应用，高考对本专题将作为计算题压轴题的形式命题. 2.学好本专题，可以帮助同学们应用力学三大观点分析带电粒子在电场和磁场中的碰撞问题、电磁感应中的动 量和能量问题，提高分析和解决综合问题的能力. 3.用到的知识、规律和方法有：电场的性质、磁场对电荷的作用、电磁感应的相关知识以及力学三大观点. 命题点一电磁感应中的动量和能量的应用 1.应用动量定理可以由动量变化来求解变力的冲量.如在导体棒做非匀变速运动的问题中，应用动量定理可以解 决牛顿运动定律不易解答的问题. 2.在相互平行的水

2、平轨道间的双棒做切割磁感线运动时，由于这两根导体棒所受的安培力等大反向，合外力为 零，若不受其他外力，两导体棒的总动量守恒，解决此类问题往往要应用动量守恒定律. 类型 1动量定理和功能关系的应用 例 1如图 1 所示，两根电阻不计的光滑金属导轨竖直放置，相距为L，导轨上端接电阻R，宽度相同的水平 条形区域和内有磁感应强度为B、方向垂直导轨平面向里的匀强磁场，其宽度均为d，和之间相距为 h 且无磁场 .一长度为L、质量为m、电阻为r 的导体棒，两端套在导轨上，并与两导轨始终保持良好的接触， 导体棒从距区域上边界H 处由静止释放，在穿过两段磁场区域的过程中，流过电阻R 上的电流及其变化情 况相同，

3、重力加速度为g.求： 图 1 (1)导体棒进入区域的瞬间，通过电阻R 的电流大小与方向. (2)导体棒通过区域的过程，电阻R 上产生的热量Q. (3)求导体棒穿过区域所用的时间. 答案(1) BL Rr 2gH，方向向左(2) R Rrmg(h d) (3) B 2L2d mg Rr 2 Hh g 2H g 解析(1)设导体棒进入区域瞬间的速度大小为v1， 专业文档 珍贵文档 根据动能定理：mgH1 2mv1 2 由法拉第电磁感应定律：EBLv1 由闭合电路的欧姆定律：I E Rr 由 得： I BL Rr 2gH 由右手定则知导体棒中电流方向向右，则通过电阻R 的电流方向向左. (2)由题意

4、知，导体棒进入区域的速度大小也为v1， 由能量守恒，得：Q总mg(hd) 电阻 R 上产生的热量Q R Rr mg(hd) (3)设导体棒穿出区域瞬间的速度大小为v2，从穿出区域 到进入区域 ， v1 2v 2 22gh，得：v 2 2g Hh 设导体棒进入区域所用的时间为t，根据动量定理： 设向下为正方向：mgtB I Ltmv2mv1 此过程通过整个回路的电荷量为：q I t BLd Rr 得： t B 2L2d mg rR 2 Hh g 2H g 变式 1(2018 甘肃天水模拟)如图 2 所示，竖直放置的两光滑平行金属导轨，置于垂直于导轨平面向里的匀 强磁场中，两根质量相同的导体棒a

5、和 b，与导轨紧密接触且可自由滑动.先固定 a，释放 b，当 b 的速度达到 10 m/s 时，再释放a，经过 1 s 后， a 的速度达到12 m/s，g 取 10 m/s 2，则： 图 2 (1)此时 b 的速度大小是多少？ (2)若导轨足够长，a、b 棒最后的运动状态怎样？ 答案(1)18 m/s(2)匀加速运动 解析(1)当 b 棒先向下运动时，在a 和 b 以及导轨所组成的闭合回路中产生感应电流，于是a 棒受到向下的 安培力， b 棒受到向上的安培力，且二者大小相等.释放 a 棒后，经过时间t，分别以a 和 b 为研究对象，根据 动量定理，则有 (mgF)tmva (mgF)tmvb

6、mv0 代入数据可解得vb18 m/s 专业文档 珍贵文档 (2)在 a、b 棒向下运动的过程中，a 棒的加速度a1g F m，b 产生的加速度 a2g F m.当 a 棒的速度与 b 棒接 近时，闭合回路中的 逐渐减小，感应电流也逐渐减小，则安培力也逐渐减小，最后，两棒以共同的速度向 下做加速度为g 的匀加速运动. 类型 2动量守恒定律和功能关系的应用 1.问题特点 对于双导体棒运动的问题，通常是两棒与导轨构成一个闭合回路，当其中一棒在外力作用下获得一定速度时必 然在磁场中切割磁感线，在该闭合电路中形成一定的感应电流；另一根导体棒在磁场中通过时在安培力的作用 下开始运动，一旦运动起来也将切割

7、磁感线产生一定的感应电动势，对原来电流的变化起阻碍作用. 2.方法技巧 解决此类问题时通常将两棒视为一个整体，于是相互作用的安培力是系统的内力，这个变力将不影响整体的动 量守恒 .因此解题的突破口是巧妙选择系统，运用动量守恒(动量定理 )和功能关系求解. 例 2(2017 湖南长沙四县三月模拟)足够长的平行金属轨道M、N，相距 L0.5 m，且水平放置；M、N 左端 与半径 R0.4 m 的光滑竖直半圆轨道相连，与轨道始终垂直且接触良好的金属棒b 和 c 可在轨道上无摩擦地 滑动，两金属棒的质量mbmc0.1 kg，接入电路的有效电阻RbRc1 ，轨道的电阻不计.平行水平金属轨 道 M、 N

8、处于磁感应强度B1 T 的匀强磁场中， 磁场方向与轨道平面垂直向上，光滑竖直半圆轨道在磁场外， 如图 3 所示，若使b 棒以初速度v010 m/s 开始向左运动，运动过程中b、c 不相撞， g 取 10 m/s2，求： 图 3 (1)c 棒的最大速度； (2)c 棒达最大速度时，此棒产生的焦耳热； (3)若 c 棒达最大速度后沿半圆轨道上滑，金属棒c 到达轨道最高点时对轨道的压力的大小. 答案(1)5 m/s(2)1.25 J(3)1.25 N 解析(1)在磁场力作用下，b 棒做减速运动，c 棒做加速运动，当两棒速度相等时，c 棒达最大速度.选两棒为 研究对象，根据动量守恒定律有 mbv0(m

9、bmc)v 解得 c 棒的最大速度为：v mb mbmcv 01 2v 05 m/s (2)从 b 棒开始运动到两棒速度相等的过程中，系统减少的动能转化为电能，两棒中产生的总热量为：Q1 2mbv0 2 1 2(mbmc)v 22.5 J 因为 Rb Rc，所以 c 棒达最大速度时此棒产生的焦耳热为QcQ 2 1.25 J (3)设 c 棒沿半圆轨道滑到最高点时的速度为v，从最低点上升到最高点的过程由机械能守恒可得： 专业文档 珍贵文档 1 2mcv 21 2mcv 2m cg 2R 解得 v3 m/s 在最高点，设轨道对c 棒的弹力为F，由牛顿第二定律得 mcg Fmcv 2 R 解得 F1

10、.25 N 由牛顿第三定律得，在最高点c 棒对轨道的压力为1.25 N，方向竖直向上. 变式 2如图 4 所示，平行倾斜光滑导轨与足够长的平行水平光滑导轨平滑连接，导轨电阻不计.质量分别为 m 和1 2m 的金属棒 b 和 c 静止放在水平导轨上，b、c 两棒均与导轨垂直.图中 de 虚线往右有范围足够大、方向 竖直向上的匀强磁场.质量为 m 的绝缘棒a 垂直于倾斜导轨静止释放，释放位置与水平导轨的高度差为h.已知 绝缘棒 a 滑到水平导轨上与金属棒b 发生弹性正碰，金属棒b 进入磁场后始终未与金属棒c 发生碰撞 .重力加 速度为 g.求： 图 4 (1)绝缘棒 a 与金属棒b 发生弹性正碰后

11、分离时两棒的速度大小； (2)金属棒 b 进入磁场后，其加速度为其最大加速度的一半时的速度大小； (3)两金属棒b、c 上最终产生的总焦耳热. 答案(1)02gh(2)5 6 2gh(3)1 3mgh 解析(1)设 a 棒滑到水平导轨时，速度为v0，下滑过程中a 棒机械能守恒 1 2mv 0 2mgh a 棒与 b 棒发生弹性碰撞 由动量守恒定律：mv0mv1mv2 由机械能守恒定律： 1 2mv 0 21 2mv 1 21 2mv 2 2 解出 v10，v2v02gh (2)b 棒刚进磁场时的加速度最大. b、c 两棒组成的系统合外力为零，系统动量守恒. 由动量守恒定律：mv2mv2m 2

12、v3 设 b 棒进入磁场后任一时刻，b 棒的速度为vb，c 棒的速度为vc，则 b、c 组成的回路中的感应电动势E BL(vb vc)，由闭合电路欧姆定律得 I E R总 ，由安培力公式得FBIL ma，联立得 a B 2L2 vbvc mR总 . 故当 b 棒加速度为最大值的一半时有v22(v2 v3) 联立得 v2 5 6v2 5 6 2gh (3)最终 b、c 以相同的速度匀速运动. 专业文档 珍贵文档 由动量守恒定律：mv2(m m 2 )v 由能量守恒定律： 1 2mv 2 21 2(m m 2 )v 2Q 解出 Q 1 3mgh 命题点二电场中动量和能量观点的应用 动量守恒定律与其

13、他知识综合应用类问题的求解，与一般的力学问题求解思路并无差异，只是问题的情景更复 杂多样，分析清楚物理过程，正确识别物理模型是解决问题的关键. 例 3如图 5 所示，光滑绝缘水平面上方分布着场强大小为E、方向水平向右的匀强电场.质量为 3m、电荷量 为 q 的球 A 由静止开始运动，与相距为L、质量为 m 的不带电小球B 发生对心碰撞，碰撞时间极短， 碰撞后 作为一个整体继续向右运动.两球均可视为质点，求： 图 5 (1)两球发生碰撞前A 球的速度大小； (2)A、B 碰撞过程中系统损失的机械能； (3)A、B 碰撞过程中B 球受到的冲量大小. 答案(1) 2EqL 3m (2)1 4EqL

14、(3) 6EqLm 4 解析(1)由动能定理： EqL 1 23mv 2 解得 v 2EqL 3m (2)A、B 碰撞时间极短， 可认为 A、B 碰撞过程中系统动量守恒，设向右为正方向，由动量守恒定律：3mv(3m m)v1 解得 v1 3 4v 系统损失的机械能： E1 23mv 21 2(3mm)v 1 21 4EqL (3)以 B 为研究对象，设向右为正方向，由动量定理：Imv10 解得 I 6EqLm 4 ，方向水平向右 变式 3如图 6 所示， LMN 是竖直平面内固定的光滑绝缘轨道，MN 水平且足够长，LM 下端与 MN 相切 .质 量为 m 的带正电小球B 静止在水平面上， 质量

15、为 2m 的带正电小球A 从 LM 上距水平面高为h 处由静止释放， 在 A 球进入水平轨道之前，由于A、B 两球相距较远，相互作用力可认为是零，A 球进入水平轨道后，A、 B 两球间相互作用视为静电作用，带电小球均可视为质点.已知 A、B 两球始终没有接触.重力加速度为g.求： 专业文档 珍贵文档 图 6 (1)A 球刚进入水平轨道的速度大小； (2)A、B 两球相距最近时，A、B 两球系统的电势能Ep； (3)A、B 两球最终的速度vA、vB的大小 . 答案(1)2gh(2) 2 3mgh (3) 1 3 2gh 4 3 2gh 解析(1)对 A 球下滑的过程，据机械能守恒得： 2mgh

16、1 22mv 0 2 解得： v02gh (2)A 球进入水平轨道后，两球组成的系统动量守恒，以A 球刚进入水平轨道的速度方向为正方向，当两球相 距最近时共速：2mv0(2mm)v，解得： v 2 3v0 2 3 2gh 据能量守恒定律：2mgh 1 2(2mm)v 2E p， 解得： Ep 2 3mgh (3)当两球相距最近之后，在静电斥力作用下相互远离，两球距离足够远时，相互作用力为零，系统势能也为 零，速度达到稳定.以 A 球刚进入水平轨道的速度方向为正方向， 2mv02mvAmvB， 1 22mv 0 21 22mv A 21 2mv B 2 得： vA1 3v0 1 3 2gh，vB

17、 4 3v 0 4 3 2gh. 命题点三磁场中动量和能量观点的应用 例 4如图 7 所示， ab、ef 是平行的固定在水平绝缘桌面上的光滑金属导轨，导轨间距为d.在导轨左端ae 上 连有一个阻值为R 的电阻，一质量为3m，长为 d，电阻为r 的金属棒恰能置于导轨上并和导轨良好接触.起初 金属棒静止于MN 位置， MN 距离 ae 边足够远，整个装置处于方向垂直桌面向下、磁感应强度为B 的匀强磁 场中，现有一质量为m 的带电荷量为q 的绝缘小球在桌面上从O 点(O 为导轨上的一点)以与 ef 成 60 角斜向右 方射向ab，随后小球直接垂直地打在金属棒的中点上，并和棒粘合在一起(设小球与棒之间

18、没有电荷转移).棒 运动过程中始终和导轨接触良好，不计导轨间电场的影响，导轨的电阻不计.求： 图 7 专业文档 珍贵文档 (1)小球射入磁场时的速度v0的大小； (2)电阻 R 上产生的热量QR. 答案(1) qBd 3m (2) q 2B2d2R 72m Rr 解析(1)小球射入磁场后将做匀速圆周运动，设圆周运动的半径为r ，其轨迹如图所示 由几何知识可知： d 2 rrsin (90 60 ) 小球在磁场中做匀速圆周运动：qv0Bmv 2 0 r 由 得： v0 qBd 3m (2)小球和金属棒的碰撞过程，以向左为正方向，由动量守恒定律得： mv0(m3m)v 金属棒切割磁感线的过程中，棒

19、和小球的动能转化为电能进而转化成焦耳热： 1 2(m3m)v 2 Q QR R RrQ 由 可得： QR q 2B2d2R 72m R r 变式 4如图 8 所示，水平虚线X 下方区域分布着方向水平、垂直纸面向里、磁感应强度为B 的匀强磁场， 整个空间存在匀强电场(图中未画出 ).质量为 m、电荷量为 q 的小球 P 静止于虚线X 上方 A 点，在某一瞬间受 到方向竖直向下、大小为 I 的冲量作用而做匀速直线运动.在 A 点右下方的磁场中有定点O，长为 l 的绝缘轻绳 一端固定于O 点，另一端连接不带电的质量同为m 的小球 Q，自然下垂，保持轻绳伸直，向右拉起Q，直到 绳与竖直方向有一小于5

20、的夹角，在P 开始运动的同时自由释放Q， Q 到达 O 点正下方W 点时速率为v0.P、 Q 两小球在W 点发生相向正碰，碰到电场、磁场消失，两小球黏在一起运动.P、Q 两小球均视为质点，P 小球 的电荷量保持不变，绳不可伸长，不计空气阻力，重力加速度为g. 图 8 (1)求匀强电场场强E 的大小和P 进入磁场时的速率v； (2)若绳能承受的最大拉力为F，要使绳不断，F 至少为多大？ 专业文档 珍贵文档 答案(1) mg q I m (2) Imv0 2 2ml 2mg 解析(1)设小球 P 所受电场力为F1，则 F1qE 在整个空间重力和电场力平衡，有F1mg 联立得 Emg q 由动量定理

21、得Imv 故 v I m. (2)设 P、Q 相向正碰后在W 点的速度为vm，以与 v0相反的方向为正方向，由动量守恒定律得 mvmv0(m m)vm 此刻轻绳的拉力为最大，由牛顿第二定律得 F(mm)g mm l vm 2 联立相关方程，得 F I mv0 2 2ml 2mg. 1.如图 1 所示，两根彼此平行放置的光滑金属导轨，其水平部分足够长且处于竖直向下的匀强磁场中，磁感应 强度为 B.现将质量为m1的导体棒ab 放置于导轨的水平段， 将质量为m2的导体棒cd 从导轨的圆弧部分距水平 段高为 h 的位置由静止释放.已知导体棒ab 和 cd 接入电路的有效电阻分别为R1和 R2，其他部分

22、电阻不计，整 个过程中两导体棒与导轨接触良好且未发生碰撞，重力加速度为g.求： 图 1 (1)导体棒 ab、cd 最终速度的大小； (2)导体棒 ab 所产生的热量. 答案(1)都为 m2 m1m2 2gh(2) R1 R1 R2 m1m2 m1m2 gh 解析(1)设导体棒 cd 沿光滑圆弧轨道下滑至水平面时的速度为v0，由机械能守恒定律m2gh 1 2m2v 0 2，解得 v 0 2gh，随后，导体棒cd 切割磁感线产生感应电动势，在回路中产生感应电流，导体棒cd、ab 受到安培力 的作用，其中导体棒cd 所受的安培力为阻力，而导体棒ab 所受的安培力为动力，但系统所受的安培力为零； 当导

23、体棒cd 与导体棒ab 速度相等时，回路的感应电动势为零，回路中无感应电流，此后导体棒cd 与导体棒 ab 以相同的速度匀速运动，以v0的方向为正方向，由动量守恒定律可得： m2v0(m1m2)v，解得两棒最终速 专业文档 珍贵文档 度为 v m2 m1m2 2gh (2)由能量守恒定律可得系统产生的热量为Q E 1 2m2v 0 21 2(m1m2)v 2 m1m2 m1m2gh 由焦耳定律可得，导体棒ab、cd 所产生的热量之比是： Q1 Q2 R1 R2 解得 Q1 R1 R1R2 m1m2 m1m2 gh 2.(2018湖南怀化质检 )如图 2 所示，在光滑绝缘水平面上有两个带电小球A

24、、B，质量分别为3m 和 m，小球 A 带正电 q，小球 B 带负电 2q，开始时两小球相距s0，小球 A 有一个水平向右的初速度v0，小球 B 的初速度 为零，若取初始状态下两小球构成的系统的电势能为零，试证明：当两小球的速度相同时系统的电势能最大， 并求出该最大值. 图 2 答案见解析 解析由于两小球构成的系统合外力为零，设某状态下两小球的速度分别为vA和 vB，以 v0的方向为正方向， 由动量守恒定律得3mv03mvAmvB 所以，系统的动能减小量为 Ek 1 2 3mv0 21 23mvA 21 2mv B 2 由于系统运动过程中只有电场力做功，所以系统的动能与电势能之和守恒，考虑到系

25、统初状态下电势能为零， 故该状态下的电势能可表示为 Ep Ek1 2 3mv 0 21 23mvA 21 2mvB 2 联立 两式，得Ep 6mvA2 9mv0vA3mv02 由式得：当vA3 4v 0 时，系统的电势能取得最大值，而将式代入 式，得 vBvA3 4v 0 即当两小球速度相同时系统的电势能最大，最大值为Epmax 3 8mv 0 2 3.如图 3 所示，“”型绝缘滑板(平面部分足够长)，质量为 4m， 距滑板的A 壁为 L1的 B 处放有一质量为 m、 电荷量为 q 的大小不计的小物体，小物体与板面的摩擦不计，整个装置处于场强为E、水平向右的匀强电场 中，初始时刻，滑板与小物体

26、都静止，试求： 图 3 (1)释放小物体，第一次与滑板A 壁碰前小物体的速度v1为多大？ (2)若小物体与A 壁碰后相对水平面的速度大小为碰前的 3 5，碰撞时间极短，则碰撞后滑板速度为多大？ (均指 专业文档 珍贵文档 对地速度 ) (3)若滑板足够长，小物体从开始运动到第二次碰撞前，电场力做功为多大？ 答案(1) 2qEL1 m (2)2 5 2qEL1 m (3) 13 5 qEL1 解析(1)对物体，根据动能定理，有qEL1 1 2mv 1 2，得 v 1 2qEL1 m (2)物体与滑板碰撞前后动量守恒，设物体第一次与滑板碰后的速度为v1，滑板的速度为 v，以水平向右为正 方向，由动

27、量守恒定律得 mv1mv1 4mv 若 v1 3 5v 1，则 v 1 10v 1，因为 v1v，不符合实际， 故应取 v1 3 5v 1，则 v 2 5v1 2 5 2qEL1 m . (3)在物体第一次与A 壁碰后到第二次与A 壁碰前，物体做匀变速运动，滑板做匀速运动，在这段时间内，两 者相对于水平面的位移相同. 所以 1 2(v2v1)tvt，即 v2 7 5v 1 7 5 2qEL1 m . 对整个过程运用动能定理得： 电场力做功W1 2mv 1 2(1 2mv2 21 2mv 1 2)13 5 qEL1. 4.(2017山东青岛一模 )如图 4 所示，两平行光滑金属导轨由两部分组成，

28、左面部分水平，右面部分为半径r 0.5 m 的竖直半圆， 两导轨间距离d0.3 m，导轨水平部分处于竖直向上、磁感应强度大小B1 T 的匀强磁场 中，两导轨电阻不计.有两根长度均为d 的金属棒ab、cd，均垂直导轨置于水平导轨上，金属棒ab、cd 的质量 分别为 m10.2 kg、m20.1 kg，电阻分别为R10.1 、R20.2 .现让 ab 棒以 v010 m/s的初速度开始水平向 右运动， cd 棒进入圆轨道后，恰好能通过轨道最高点PP， cd 棒进入圆轨道前两棒未相碰，重力加速度g10 m/s2， 求： 图 4 (1)ab 棒开始向右运动时cd 棒的加速度a0； (2)cd 棒刚进入

29、半圆轨道时ab 棒的速度大小v1； (3)cd 棒进入半圆轨道前ab 棒克服安培力做的功W. 答案(1)30 m/s 2 (2)7.5 m/s(3)4.375 J 解析(1)ab 棒开始向右运动时，设回路中电流为I，有 EBdv0 I E R1 R2 专业文档 珍贵文档 BIdm2a0 解得： a030 m/s2 (2)设 cd 棒刚进入半圆轨道时的速度为v2，系统动量定恒，有 m1v0m1v1m2v2 1 2m 2v2 2m 2g 2r 1 2m 2vP 2 m2gm2v 2 P r 解得： v17.5 m/s (3)由动能定理得 1 2m 1v1 21 2m1v 0 2 W 解得： W4.375 J.