“强拆”四部曲
第一步:按要素拆解( 静态/动态)已知条件;
第二步:按给定条件拆解过程,抓住过程之间的连接关系;
第三步:不同的过程运用不同的物理规律列关系式、求解未知量;
第四步:必要时对结果进行讨论
例题解析“强拆四部曲”
给你葫芦,时时照着画
例题. 如图甲,两足够长的平行光滑金属导轨ab、cd倾斜放置,两导轨之间的距离为L=1m,导轨平面与水平面间的夹角为θ=37°,导轨上端a、c之间连接有一阻值为R1=4Ω的电阻,下端b、d之间接有一阻值为R2=2Ω的小灯泡,mn之间接入的电阻R3=4Ω.有理想边界的匀强磁场垂直于导轨平面向上,虚线ef为磁场的上边界,ij为磁场的下边界,此区域内的感应强度B,随时间t变化的规律如图乙所示,现将一质量为m=1kg的金属棒MN,从距离磁场上边界ef的一定距离处,从t=0时刻开始由静止释放,金属棒MN从开始运动到经过磁场的下边界ij的过程中,小灯泡的亮度始终不变.金属棒MN在两轨道间的电阻r=1Ω,其余部分的电阻忽略不计,ef、ij边界均垂直于两导轨.其中:
,
,求:
(l)小灯泡的实际功率;
(2)金属棒MN穿出磁场前的最大速率;
(3)整个过程中小灯泡产生的热量.


分析:本题是一道综合性很强的题目,考察的角度包括了物体的受力与运动,电磁感应(感生电动势、动生电动势)、电路的串联、并联中电流、电压、电源电动势的关系,电功率、发热等。
“强拆”step by step
第一步:按要素拆解已知条件
要素:斜面导轨、磁场、电路构成、运动的导体棒
① 斜面导轨( 静态):倾角37度,导轨光滑(不计摩擦);
② 磁场:区域范围(ef----ij)、方向垂直于斜面向上、匀强,变化如图乙(动态);
③ 电路构成:(有变化、难点,待分析);
④ 导体棒:长L、某一位置由静止释放(动态);
第二步:按给定条件分解过程,抓住过程之间的连接关系;
重要条件:从t=0开始,小灯泡的亮度保持不变
剖析:0~t1时间内,磁场随时间均匀变化,产生不变的电动势电路中电流稳定;若该时间内金属棒MN进入磁场,则既有感生电动势产生,又有动生电动势产生,电路必定发生变化,故不符合题意。仅当t1时刻金属棒刚好进入磁场,在磁场区域做匀速直线运动, 在金属棒MN从开始运动到经过磁场的下边界ij的过程中,小灯泡的亮度才能始终不变。
过程分解① 0~t1,磁场变化产生感生电动势;金属棒MN做匀加速运动刚好进入磁场边界ef
对应等效电路如图(1):

②t1之后,金属棒MN在磁场中做匀速直线运动产生动生电动势
对应等效电路如图(2):

第三步:不同的过程运用不同的物理规律列关系式、求解未知量。
(1)小灯泡的实际功率
依题意,小灯泡亮度始终保持不变,因此任选一个过程求解均可。
原则:哪个简单选哪个,哪个已知条件充分选哪个
导体棒做匀速直线运动产生动生电动势的关系简单、条件充分,设此过程中流过导体棒的电流为I,
导体棒匀速直线运动,受力平衡


电路中,金属棒相当于电源,R1、R2、R3并联后与金属棒串联,
根据并联电路的电流关系,流过小灯泡的电流大小I为1.5A,小灯泡的实际功率为P

(2) 金属棒穿过磁场的过程中速率v保持不变
电路(图2)的等效电阻

闭合电路欧姆定律

动生电动势


(3)0~t1时间内,设ef至ij之间的距离为x
金属棒做匀加速直线运动,


小灯泡亮度始终不变

流过电阻R3的电流

电路的电流规律

电路(图1)的总电阻为

闭合电路欧姆定律

感生电动势


匀速直线运动

整个过程中小灯泡产生的热量, 焦耳定律

第四步:必要的讨论
本题没有考察对结果的讨论,做为一道考试题,可以顺利结束。但是做为一道练习题,我们可以进一步地思考。
(1)题目为什么要给定小灯泡地亮度始终保持不变?
原因:如果同时有感生电动势和动生电动势产生,问题将变得更加复杂。多去留意看起来很复杂的过程,往往隐含着使问题变简单的特殊的条件。
(2)题目中去掉一个电阻,比如去掉R3,该如何求解?(其实加上R3就是为了使电路变得更复杂,考察对电路的连接的掌握情况。)出题的老师挖坑的招数之一而已。
秘籍:拆、拆、拆!
强拆讲规律,满分落碗里!