高中物理導(dǎo)體單棒題型分析及應(yīng)對策略學(xué)法指導(dǎo)

1、高中物理“導(dǎo)體單棒”題型分析及應(yīng)對策略吳俊在電磁學(xué)中，“導(dǎo)體棒”因涉及受力分析、牛頓定律、動(dòng)量定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律、閉合電路的歐姆定律、電磁感應(yīng)定律等主干知識(shí)，綜合性強(qiáng)，利于考查學(xué)生的各種能力，命題形式也較為靈活，所以在強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)、突出主干、考查能力的命題背景下，“導(dǎo)體棒”自然就成為電磁場綜合命題中的一大熱點(diǎn)，面對高分值的熱點(diǎn)問題，我們可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究復(fù)習(xí)。導(dǎo)體單棒有“棒生電”或“電動(dòng)棒”兩種形式，但主要以“棒生電”為主?！鞍羯姟敝笇?dǎo)體棒在運(yùn)動(dòng)過程中切割磁感應(yīng)線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，因此“導(dǎo)體棒”在電路中相當(dāng)于電源，與其他元件構(gòu)成回路。一、力學(xué)思路與“導(dǎo)體單棒”組成的閉合回路中的

2、磁通量發(fā)生變化一導(dǎo)體棒產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢一感應(yīng)電 流一導(dǎo)體棒受安培力一合外力變化一加速度變化一速度變化一感應(yīng)電動(dòng)勢變化一，循環(huán)結(jié)束時(shí)加速度等于零，導(dǎo)體棒達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。例1.水平面上兩根足夠長的金屬導(dǎo)軌平行固定放置，間距為L, 一端通過導(dǎo)線與阻值為R的電阻連接；導(dǎo)軌上放一質(zhì)量為 m的金屬桿（見圖1）,金屬桿與導(dǎo)軌的電阻忽略不計(jì)；均 勻磁場豎直向下。用與導(dǎo)軌平行的恒定拉力 F作用在金屬桿上， 桿最終將做勻速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)改變拉力的大小時(shí)，相對應(yīng)的勻速運(yùn)動(dòng)速度 v也會(huì)變化，v與F的關(guān)系如圖1 （取重力加速度g 2、=10m/s ） 解析(2)圖1金屬桿在勻速運(yùn)動(dòng)之前做什么運(yùn)動(dòng)？若m= 0.5kg , L=

3、0.5m, R= 0.5 Q,磁感應(yīng)強(qiáng)度 B為多大？由V F圖線的截距可求得什么物理量？其值為多少？（1 ）變速運(yùn)動(dòng)（或變加速運(yùn)動(dòng)、加速度減小的加速運(yùn)動(dòng)、加速運(yùn)動(dòng)）感應(yīng)電動(dòng)勢e= BLv,感應(yīng)電流I =一，安培力Fm = IBL = ROvB2L2因金屬桿受拉力、安培力和阻力作用，勻速時(shí)合力為零，有R2 , 2 l vB L F 二雄=1。R _v = （F - f）,由圖線可以得到直線的斜率k= 2,所以B =B2L2（3）由直線的截距可以求得金屬桿受到的阻力f, f = 2 （N）o若金屬桿受到的阻力僅為滑動(dòng)摩擦力，由截距可求得動(dòng)摩擦因數(shù)0.4。命題熱點(diǎn)從導(dǎo)體單棒在軌道上的命題情況來看，有

4、“水平導(dǎo)軌”、“斜面導(dǎo)軌” “豎直導(dǎo)軌”，以考查受力分析、運(yùn)動(dòng)過程，極值問題（如加速度極值、速度極值、功率極值、能量轉(zhuǎn)換）等問題。對于“斜面導(dǎo)軌”突出導(dǎo)體單棒的重力分解、摩擦力等問題，對于“豎直導(dǎo)軌”突出空間想象判斷安培力。近年在利用導(dǎo)體單棒變速運(yùn)動(dòng)對力學(xué)考查的同時(shí)，也加入 圖像等元素，比如 F-1圖像、U-1圖像等，這樣對運(yùn)動(dòng)過程的考查更為全面綜合，在復(fù)習(xí) 時(shí)要重視。應(yīng)對要點(diǎn)在勻強(qiáng)磁場中勻速運(yùn)動(dòng)的“導(dǎo)體單棒”受到的安培力恒定，用平衡條件進(jìn)行 處理；在勻強(qiáng)磁場中變速運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體棒受的安培力也隨速度（電流）變化，變速運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)速度可用牛頓第二定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式求解，要畫好受力圖，抓住 a=0時(shí)，速度

5、v達(dá)最大值 的特點(diǎn)；在解題時(shí)涉及始、末狀態(tài)，還有力和作用時(shí)間的，用動(dòng)量定律；涉及始、末狀態(tài)，還有力和位移的，以及熱量問題應(yīng)盡量應(yīng)用動(dòng)能定律與能的轉(zhuǎn)化和守恒定律解決。二、電學(xué)思路判斷廣生電磁感應(yīng)現(xiàn)象的那一部分導(dǎo)體（電源）一利用 E = N或E= BLv求感應(yīng)電 1動(dòng)勢的大小一利用右手定則或楞次定律判斷電流方向一分析電路結(jié)構(gòu)一畫等效電路圖。例2.如圖2所示，OAa置于水平面內(nèi)的光滑閉合金屬導(dǎo)軌，Q C處分別接有短電阻絲（圖中粗線表示），Ri =4G、R2 =8Q （導(dǎo)軌其他部分電阻不計(jì)）。導(dǎo)軌OAC的形狀滿足方程y = 2 sin（一x）（單位m）。磁感強(qiáng)度B= 0.2T的勻強(qiáng)磁場方向垂直于導(dǎo)軌平

6、面。一足 3夠長的金屬棒在水平外力F作用下，以恒定的速率v=5. om/s水平向右在導(dǎo)軌上從 O點(diǎn)滑動(dòng)到C點(diǎn)，棒與導(dǎo)軌接觸良好且始終保持與OC導(dǎo)軌垂直，不計(jì)棒的電阻。求：X X X X X（1）外力F的最大值；（2）金屬棒在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)時(shí)電阻絲R上消耗的最大功率；（3）在滑動(dòng)過程中通過金屬棒的電流I與時(shí)間1的關(guān)系。解析 （1）金屬棒勻速運(yùn)動(dòng) 5外=5安，e = BLv,F外=BIL =心、_ 2 2BLv%心、 TOC o 1-5 h z 二R1 R285=2嗎=2(m), R表寸I)223Fmax -(0.225.0 -)N U0.3(N)；2B2L2v222 5.02 ，/、(2)耳=一=

7、0.22 22 =1(W)R1R4(3)金屬棒與導(dǎo)軌接觸點(diǎn)間的長度隨時(shí)間變化，3TL = 2sin(x)(m),且乂=丫3 ； = BLv 3Bv二 35 二2sin(-vt) =-sin(t)(A)343思考 由第（3）問可求出電流的有效值是多少?例3. 一直升飛機(jī)停在南半球的地磁極上空。該處地磁場的方向豎直向上，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B。直升飛機(jī)螺旋槳葉片的長度為l ,螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率為 f ,順著地磁場的方向看螺旋槳，螺旋槳按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。螺旋槳葉片的近軸端為a,遠(yuǎn)軸端為b,如圖3所示。如果忽略a到轉(zhuǎn)軸中心線的距離，用E表示每個(gè)葉片中的感應(yīng)電動(dòng)勢，則（）2E =府1 B ,且a點(diǎn)電勢低于b點(diǎn)電勢

8、2E = 2nfl B ,且a點(diǎn)電勢低于b點(diǎn)電勢E =冏2B ,旦a點(diǎn)電勢高于b點(diǎn)電勢E = 2Hl 2B ,且a點(diǎn)電勢高于b點(diǎn)電勢& 圖3解析 螺旋槳葉片旋轉(zhuǎn)切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢相當(dāng)于電源，由右手定則可知，a相當(dāng)于電源的負(fù)極，b相當(dāng)于電源的正極，即 a點(diǎn)電勢低于b點(diǎn)電勢。由于從a-b葉片上各 點(diǎn)的速度大小按v =切丫的規(guī)律呈線性變化，由11.2E =Blv=Bl父一=Bl xM2nfl =Ml2B。綜上分析可知，選項(xiàng) A正確。 22命題熱點(diǎn) 利用變“桿”（改變有效長度）考查對電磁感應(yīng)定律、閉合電路的歐姆定 律的理解，01、02、03三年的高考中都出現(xiàn)此類命題；利用導(dǎo)體棒在磁場中的轉(zhuǎn)動(dòng)考查

9、 對電磁感應(yīng)定律、楞次定律的理解，該類命題主要特點(diǎn)是聯(lián)系圖像、實(shí)際等問題考查學(xué)生的分析、綜合應(yīng)用能力。應(yīng)對要點(diǎn) 畫等效電路圖，利用閉合電路的歐姆定律、串并聯(lián)電路的特點(diǎn)、楞次定律、 左手定則解決，對待變桿問題要注意有時(shí)導(dǎo)體兩端有電壓，但沒有電流流過，這類似于電源兩端有電勢差但沒有接入電路時(shí)，電流為零；對待轉(zhuǎn)動(dòng)問題根據(jù)楞次定律判斷方向并根據(jù)電磁感應(yīng)定律計(jì)算感應(yīng)電動(dòng)勢大小。三、能量思路電磁感應(yīng)現(xiàn)象中，當(dāng)外力克服安培力做功時(shí)，就有其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能；當(dāng)安培力做正功時(shí)，就有電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能。例4.如圖4所示，固定的水平光滑金屬導(dǎo)軌，間距為L,左端接有阻值為 R的電阻，處在方向豎直、磁感應(yīng)弓II

10、度為B的勻強(qiáng)磁場中，質(zhì)量為m的導(dǎo)體棒與固定彈簧相連，放在導(dǎo)軌 上，導(dǎo)軌與導(dǎo)體棒的電阻均可忽略。初始時(shí)刻，彈簧恰處于自然長度，導(dǎo)體棒具有水平向右的初速度V0。在沿導(dǎo)軌往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程中，導(dǎo)體棒始終與導(dǎo)軌垂直并保持良好接觸。(1)求初始時(shí)刻導(dǎo)體棒受到的安培力。(2)若導(dǎo)體棒從初始時(shí)刻到速度第一次為零時(shí)，彈簧的彈性勢能為E),則這一過程中安培力所做的功 W和電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱Q分別為多少？(3)導(dǎo)體棒往復(fù)運(yùn)動(dòng)，最終將靜止于何處？從導(dǎo)體棒開始運(yùn)動(dòng)直到最終靜止的過程中， 電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱Q為多少？圖4解析 (1)初始時(shí)刻棒中感應(yīng)電動(dòng)勢E = Lv0B,棒中感應(yīng)電流I =5R作用于棒上的安培力F= ILB ,聯(lián)立得L2VoB2一,安培力方向水平向左。(2)由功和能的關(guān)系，得安培力做功Wi =Ep12 一-mv；,電阻 R上產(chǎn)生的焦耳熱 21 一2 Qi = - mvo - E p。(3)由能量轉(zhuǎn)化及平衡條件等，可判斷出棒最終靜止于初始位置,命題熱點(diǎn)電阻、棒與電容、應(yīng)對要點(diǎn)對于導(dǎo)體單棒以能量形式命題可涉及到更多的內(nèi)容，棒與電感、棒與電表、棒與彈簧等其他器件的組合系統(tǒng)。12Q = mv0.2具體有棒與電源、