如图所示,空间存在垂直纸面向里的磁场,磁场在竖直方向均匀分布,在水平方向非均匀分布,且关于竖直平面MN对称.绝缘细线上端固定在M点,下端与一个粗细均匀的铜制圆环相接.现将圆环由P处无初速释放,圆环第一次向右摆动最远能到达Q处(图中未画出).已知圆环始终在同一竖直平面内摆动,则在圆环从P摆向Q的过程中,下列说法正确的是
A.位置P与Q可能在同一高度
B.感应电流方向始终逆时针
C.感应电流方向先逆时针后顺时针
D.安培力方向始终与运动方向相反
C
【详解】
A.圆环从P摆向Q的过程中,由于磁场在竖直方向均匀分布,在水平方向非均匀分布,导致环中磁通量变化,从而产生感应电流,出现焦耳热,则环的重力势能会减小,因此Q不可能与P在同一高度,故A错误;
BC.根据楞次定律,环在向下摆的过程中,穿过环垂直向里的磁通量在增大,当向上摆的过程中,穿过环垂直向里的磁通量在减小,那么感应电流则先逆时针后顺时针,故B错误,C正确;
D.根据左手定则,结合感应电流方向先逆时针后顺时针,及磁场在竖直方向均匀分布,在水平方向非均匀分布,且关于竖直平面MN对称,可知,安培力是阻碍环的运动,但不与运动方向相反,故D错误.
楞次定律与右手定则的关系:
“三定则一定律”的比较:
(1)电磁感应过程的实质是不同形式的能量转化的过程,电磁感应过程中产生的感应电流在磁场中必定受到安培力作用。因此要维持安培力存在,必须有 “外力”克服安培力做功。此过程中,其他形式的能转化为电能。“外力”克服安培力做多少功,就有多少其他形式的能转化为电能。当感应电流通过电器时,电能又转化为其他形式的能。
同理,安培力做功的过程,是电能转化为其他形式的能的过程,安培力做多少功就有多少电能转化为其他形式的能。
(2)电能求解思路主要有三种:
①利用克服安培力做功求解:电磁感应中产生的电能等于克服安培力所做的功。
②利用能量守恒求解:其他形式能的减少量等于产生的电能。
③利用电路特征来求解:通过电源提供总能量IE或纯电阻电路中产生的焦耳热Q=I2RT来计算。
(3)基本解题思路
①明确研究对象(哪一部分闭合回路或哪一部分导体)和研究过程。
②对研究对象(运动的导体)受力分析,明确各个力的做功情况。
③分析研究对象的运动过程,明确各种能量的转化情况。
④选择恰当的规律列式求解。
(4)几种常用的功能关系
①导体所受的重力做功导致重力势能的变化:
②导体所受的合外力做功导致其动能的变化:
③导体所受的重力以外的力做功导致其机械能变化:
④滑动摩擦力做功导致系统内能增加: (指相对位移的大小)。
⑤安培力做功导致电能变化:克服安培力做的功等于电路中增加的电能,即。
说明此结论在电路中只有动生电动势时才成立,涉及感生电动势时此结论就不成立了。
广义的楞次定律:
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