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多答案习题,具有训练详尽分析物理现象,周密考查物理过程的功能,学生一遇此类问题,常出错和漏解,我们
试从它的形成原因,举例说明之.
一、题设条件的可能性形成多答案
例1 质量为m带电量为+q的滑环套在水平固定且足够长的绝缘杆上如图1所示,整个装置处于方向垂直纸面向
里的磁感应强度为B的匀强磁场中,现给滑环一个水平向右的瞬时冲量I使其开始运动,求:滑环运动后克服摩擦力
所做的功(不计空气阻力)
解析:这里的I属未赋值条件,这道题的一般解法如下:
分析滑环的受力情况如图2所示,列出下面三式:
f=μN①
F=qvB②
N+F=mg③
联立①②③式解得:f=μ(mg-qvB),可见随着滑环速度v的减小,摩擦力f增大,环最终静止于杆上,
再对环的全过程运用动能定理可得:Wf=ΔEk=0-12m(
Im)2=-I22m.所以,滑环克服摩擦力所做的功为
I22m.
初看上述解答天衣无缝,然而,如此求解是不完整的,由于冲量I为未赋值,环获得的初速度
v0=Im,
必随I取值
不同而不同,由于v0取值不同,最初环受力的情况就不定,如图3所示,环的运动情况也随之发生变化,下面对本题
的解答作进一步的讨论.
qBv0
当qBv0=mg时,滑环始终不受摩擦力的作用,它将以速度v0作匀速直线运动,因此,克服摩擦力的功为零.
当qBv0>mg时,滑环的受力情况如图3所示,同理求得f=μ(qvB-mg),由此可见,环所受的摩擦力f随环的
速度v的减小而减小,当qBv=mg时,f消失,此后,环的速度不再变化,故环的运动为先由v0减速至
v=mgqB,然后
以这个速度匀速运动,再对环运用动能定理可得
Wf=12m(mgqB)2-
12m(Im)2
=
12(m3g2q2B2
-I2m)
所以,环克服摩擦力做的功为:
12
(I2m-m3g2q2B2)
二、物理过程的多样性形成多答案
例2 如图4所示,有一摆长为L的单摆,摆球的质量为m,带电量为+q,将其置于磁感应
强度为B,方向垂直纸
面向里的匀强磁场中,现把摆球沿纸面向左拉直至摆线呈水平位置后由静止释放,摆球将沿着圆弧曲线摆动,试求摆球经过
最低点时所受摆线的拉力?(空气阻力忽略不计)
解析:带电摆球在从左向下摆动的过程中,共受三个力作用,即重力G、摆线的拉力T和洛伦兹力f,由于T和f
对摆球不做功,只有重力做功,所以,摆球在向下摆动的过程中机械能守恒,设最低点为零势能点,则:
mgL=12mv2可得
v=2gL
①
摆球到达最低点时,所受洛伦兹力的大小为
f=Bqv,由左手定则判断其方向竖直向上,在最
低点,重力、摆线的拉力和洛伦兹力的合力为摆球提供向心力,得
T+Bqv-mg=mv2L②
将①式代入②式得
T=3mg-Bq2gL
不少学生仅满足于上述解答,当然,此解没有错,但不完整.由于摆球只在重力场中自由摆动,无论摆球向左或向
右,经过最低点时所受摆线的拉力大小是相同的,所以一般同学误认为,在重力场和磁场同时存在的力场中,也不必
考虑摆球运动方向的影响,从而导致这道题解的不完整,而实际在该题中带电摆球沿圆弧摆动的过程中经过最低点
有两种情况:其一,摆球从左侧向右摆动经过最低点时,摆球的速度方向向右,由左手定则判断此时摆球所受洛伦兹力的
方向竖直向上,这时,摆球所受的拉力的大小与前面分析相同;其二,摆球从右侧向左摆动经过最低点时,摆球的速度方向向左,由左手定则判断此时摆球受洛伦兹力方向竖直向下,与前面相反,于是T′-Bqv-mg=m
v2L,所以
T′=3mg+Bq2gL
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