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高中物理电磁学动态圆和相关例题

2026-08-24 08:21:00辅导探讨200

高中物理电磁学动态圆和相关例题如下:tMt物理好资源网(原物理ok网)

例题:tMt物理好资源网(原物理ok网)

【例1】如图所示,在x轴上,有一金属圆环,圆环平面与x轴平行,圆环所在区域存在磁感应强度为B的匀强磁场,磁场方向垂直于xOy平面并指向纸里。环上固定着两个带电小段(可视为点电荷),其带电量分别为+q和-q,质量都为m。现将圆环从图示位置由静止释放,在圆环运动的过程中,两个带电小段始终不脱离圆环的平面。求:tMt物理好资源网(原物理ok网)

(1)当小段运动到圆环的最高点时,小段对圆环的作用力;tMt物理好资源网(原物理ok网)

(2)小段在圆环中运动的最大速度;tMt物理好资源网(原物理ok网)

(3)当小段运动到圆环最低点时,圆环对小段的摩擦力方向。tMt物理好资源网(原物理ok网)

动态圆分析:tMt物理好资源网(原物理ok网)

在最高点时,小段受到重力和圆环的支持力,合力提供向心力,根据牛顿第二定律和向心力公式列式求解支持力,再根据牛顿第三定律求作用力。在最低点时,小段受到重力和圆环对它的摩擦力以及圆环的支持力,合力提供向心力,根据牛顿第二定律和向心力公式列式求解支持力和摩擦力。在运动过程中,小段受到的圆环的作用力是变化的。在最高点时,小段对圆环有压力,而在最低点时,小段对圆环有拉力。因此,在最高点时,小段做圆周运动的半径最小,在最低点时半径最大。tMt物理好资源网(原物理ok网)

解题过程:tMt物理好资源网(原物理ok网)

(1)最高点时,由牛顿第二定律得:$mg + F_{N} = m\frac{v^{2}}{R}$tMt物理好资源网(原物理ok网)

解得:$F_{N} = mg - Bq\frac{v}{R}$tMt物理好资源网(原物理ok网)

由牛顿第三定律得:$F_{N^{\prime}} = F_{N}$tMt物理好资源网(原物理ok网)

由牛顿第四定律得:$F_{N^{\prime}} = \frac{mv^{2}}{R} - mg$tMt物理好资源网(原物理ok网)

解得:$F_{N^{\prime}} = \frac{mv^{2}}{R} - 2mg$tMt物理好资源网(原物理ok网)

由牛顿第三定律得:作用力大小为$F_{N^{\prime}}^{\prime} = \frac{mv^{2}}{R} - mg$方向竖直向下tMt物理好资源网(原物理ok网)

(2)当小段运动到圆环的最高点时,由动能定理得:$mg(2R) + q\varphi R = \frac{1}{2}mv^{2}$tMt物理好资源网(原物理ok网)

解得:$v = \sqrt{\frac{mg(2R) + q\varphi R}{m}}$tMt物理好资源网(原物理ok网)

当小段运动到最低点时,由动能定理得:$mg(3R) - \mu mg\cos\theta(2R) = \frac{1}{2}mv^{2}$tMt物理好资源网(原物理ok网)

解得:$v = \sqrt{\frac{mg(3R) - \mu mg\cos\theta(2R)}{m}}$tMt物理好资源网(原物理ok网)

当小段运动到最低点时,由于小段对圆环的作用力是变化的,所以不能直接用牛顿第二定律求解支持力和摩擦力。此时可以运用功能关系求解支持力和摩擦力。根据功能关系可知:支持力对小段做负功,摩擦力对小段做正功。所以有:$W_{N} = - 3mgR$ $W_{f} = \mu mg\cos\theta(2R)$tMt物理好资源网(原物理ok网)

解得:$F_{N} = 3mg - \mu mg\cos\theta$ $f = \mu mg\sin\theta$tMt物理好资源网(原物理ok网)

(3)当小段运动到圆环的最低点时,由于作用力的方向与速度方向垂直,所以作用力不做功。此时圆环对小段的摩擦力方向沿半径向外。tMt物理好资源网(原物理ok网)

答案:(1)作用力大小为$\frac{mv^{2}}{R} - 2mg$方向竖直向下 (2)当小段运动到圆环的最高点时速度为$\sqrt{\frac{mg(2R) + q\varphi R}{m}}$;当小段运动到最低点时速度为$\sqrt{\frac{mg(3R) - \mu mg\cos\theta(2R)}{m}}$;此时摩擦力方向沿半径向外 (3)不做功tMt物理好资源网(原物理ok网)

动态圆的解题关键是根据受力情况确定圆心的位置和半径的变化情况。在最高点时,小段受到重力和支持力,合力提供向心力;在最低点时,小段受到重力、支持力和摩擦力,合力仍然提供向心力。在运动过程中tMt物理好资源网(原物理ok网)

高中物理电磁学动态圆问题是一个常见的难点,这类问题通常涉及到磁场、电流和角度的变化。解题的关键在于建立动态圆,通过圆周运动和向心力的关系来求解。tMt物理好资源网(原物理ok网)

以下是一个简单的例题和解析:tMt物理好资源网(原物理ok网)

【例题】一个质量为m的金属环,其半径为R,电阻为R。现在环中通以I=t/4s变化的电流,方向为顺时针。已知磁场B随时间变化的情况为B=kt(k为常数)。试求出t=5s时,金属环的瞬时速度。tMt物理好资源网(原物理ok网)

【解析】tMt物理好资源网(原物理ok网)

首先,根据法拉第电磁感应定律,金属环会产生感应电流。随着磁场的改变,感应电流也在改变,从而产生感应磁场,影响环的运动。tMt物理好资源网(原物理ok网)

在t=5s时,磁场B=5k,此时电流大小为I=k/4。根据楞次定律,感应磁场的方向与原磁场方向相反。因此,环受到的安培力方向应该与环的运动方向相同,使环加速。tMt物理好资源网(原物理ok网)

根据牛顿第二定律,有:$F = BIL \times \theta$,其中θ为环与磁场的夹角。由于环做的是匀速圆周运动,所以θ不变。因此,$F = BIL \times \theta = B^2R^2\frac{d\theta}{dt}$。tMt物理好资源网(原物理ok网)

由于B=kt,所以$F = k^2R^2\frac{d\theta}{dt}$。由于F是正比于I的,所以速度v也正比于I,即$v = I\frac{d\theta}{dt}$。tMt物理好资源网(原物理ok网)

将上述两式联立,可得$v = \frac{k^2R^2}{m}t$。当t=5s时,瞬时速度v=12.5m/s。tMt物理好资源网(原物理ok网)

希望这个例题能帮助你更好地理解动态圆问题。tMt物理好资源网(原物理ok网)

高中物理电磁学动态圆和相关例题常见问题主要包括以下几个方面:tMt物理好资源网(原物理ok网)

1. 磁场的变化导致圆周运动半径的变化:磁场的变化可能会引起圆周运动的半径发生变化,这是因为磁场的变化会影响圆周运动中受到的洛伦兹力的大小和方向。tMt物理好资源网(原物理ok网)

例题:一个带电粒子在匀强磁场中做圆周运动,如果磁感应强度突然变化,粒子的速度大小和方向不变,那么粒子运动的轨道半径会发生怎样的变化?tMt物理好资源网(原物理ok网)

2. 磁场的变化导致圆周运动周期的变化:磁场的变化可能会引起圆周运动周期的变化,这是因为磁场的变化会影响圆周运动中受到的洛伦兹力的大小和方向,而周期是由洛伦兹力来决定的。tMt物理好资源网(原物理ok网)

例题:一个带电粒子在匀强磁场中做圆周运动,如果磁感应强度突然变化,粒子的速度大小不变,那么粒子运动的周期会发生怎样的变化?tMt物理好资源网(原物理ok网)

3. 圆周运动的半径和速度如何影响洛伦兹力:在磁场中做圆周运动的粒子受到的洛伦兹力与速度和半径有关。当半径变大时,所需的向心力变大,洛伦兹力也会变大;当速度变大时,所需的向心力也变大,但洛伦兹力也会随之变大。tMt物理好资源网(原物理ok网)

例题:一个带电粒子在匀强磁场中做半径为R的圆周运动,如果磁感应强度突然变为原来的两倍,那么粒子运动的向心力将如何变化?洛伦兹力将如何变化?tMt物理好资源网(原物理ok网)

以上是高中物理电磁学动态圆和相关例题常见问题的一些内容,这些问题需要学生掌握圆周运动的基本规律和洛伦兹力的基本概念,同时需要具备一定的分析和解决问题的能力。tMt物理好资源网(原物理ok网)

请注意,以上内容仅供参考,具体问题情境可能需要根据实际情况进行判断和分析。tMt物理好资源网(原物理ok网)