题目内容
如图所示,阻值为R的电阻串于光滑的固定在水平面上等边三角形水平导轨OPQ上,导轨在O点断开.磁感应强度为B、方向竖直向下、宽度为d的条形磁场区域与PQ平行,质量为m的导体棒中点接在劲度系数为k的弹簧的一端,弹簧的另一端固定.导体棒始终与PQ平行,且与导轨保持良好接触,弹簧无伸长时,导体棒停于M处,现将导体棒拉至N处后自由释放,若M至顶点O,以及M、N到磁场边沿的距离均为d,导轨和导体棒的阻值忽略不计,求:(提示:弹簧的弹性势能公式为EP=
,x为弹簧的形变量)
(1)计算导体棒释放后,第一次穿越条形磁场区域过程中,电阻R中通过的电荷量q.
(2)测得导体棒从N处释放后第一次向左通过磁场右边界b时速度为v.求第一次向右运动穿越磁场区域中电阻R产生的焦耳热Q.
(3)经过一定时间后,棒会处于怎样的运动状态,请简要地分析说明.
kx2 | 2 |
(1)计算导体棒释放后,第一次穿越条形磁场区域过程中,电阻R中通过的电荷量q.
(2)测得导体棒从N处释放后第一次向左通过磁场右边界b时速度为v.求第一次向右运动穿越磁场区域中电阻R产生的焦耳热Q.
(3)经过一定时间后,棒会处于怎样的运动状态,请简要地分析说明.
分析:(1)第一次穿越条形磁场区域过程中,电阻R中通过的电荷量q=
=
,由几何知识求出回路面积的变化量△S,即可求出电量q.
(2)在N到a过程中,只有弹簧的弹力做功,机械能守恒,则可由机械能守恒求出导体棒到达磁场左边界时的动能.导体棒穿过磁场右边界后只受到弹簧弹力作用,机械能守恒,导体棒向右和向左经过磁场右边界时,速度大小不变,仍为v0.导体棒从磁场左边界到右边界的过程中,弹簧的弹性势能减小转化为导体棒的动能和回路中的内能,根据能量守恒定律求解第一次向右运动穿越磁场区域中电阻R产生的焦耳热Q.
(3)导体棒每次穿过磁场区时,都有安培力做功产生电热,振幅不断减小,最后导体棒不能进入磁场而做简谐运动.
△Φ |
R |
B△S |
R |
(2)在N到a过程中,只有弹簧的弹力做功,机械能守恒,则可由机械能守恒求出导体棒到达磁场左边界时的动能.导体棒穿过磁场右边界后只受到弹簧弹力作用,机械能守恒,导体棒向右和向左经过磁场右边界时,速度大小不变,仍为v0.导体棒从磁场左边界到右边界的过程中,弹簧的弹性势能减小转化为导体棒的动能和回路中的内能,根据能量守恒定律求解第一次向右运动穿越磁场区域中电阻R产生的焦耳热Q.
(3)导体棒每次穿过磁场区时,都有安培力做功产生电热,振幅不断减小,最后导体棒不能进入磁场而做简谐运动.
解答:解:(1)根据等边三角形的边长关系,易求得△s=
d2
根据电量公式求得:q=∑i△t=∑
△t=
=
Bd2
(2)设导体棒到达磁场左边界时速度大小为v1,在N到a过程中,弹簧做功有
得
由于导体棒穿过磁场右边界后,只受到弹簧弹力作用,系统的机械能守恒,故导体棒向左运动穿过和返回磁场右边界时,速度大小不变,仍为v0,根据能量守恒关系可知
m
+
k
=
m
+
k
+Q,Q为焦耳热.
故解得,Q=4k
-
m
(3)由于每次穿过磁场区时,都有安培力做功产生电热,可知棒的振幅逐渐变小,最后棒不再返回磁场区,在只受到弹簧弹力的作用下做简谐运动.
答:
(1)第一次穿越条形磁场区域过程中,电阻R中通过的电荷量q为
Bd2.
(2)第一次向右运动穿越磁场区域中电阻R产生的焦耳热Q为4kd2-
m
.
(3)棒不再返回磁场区,在只受到弹簧弹力的作用下做简谐运动.
5
| ||
3 |
根据电量公式求得:q=∑i△t=∑
△φ |
△tR |
B△S |
R |
5
| ||
3R |
(2)设导体棒到达磁场左边界时速度大小为v1,在N到a过程中,弹簧做功有
|
由于导体棒穿过磁场右边界后,只受到弹簧弹力作用,系统的机械能守恒,故导体棒向左运动穿过和返回磁场右边界时,速度大小不变,仍为v0,根据能量守恒关系可知
1 |
2 |
v | 2 1 |
1 |
2 |
d | 2 1 |
1 |
2 |
v | 2 0 |
1 |
2 |
d | 2 2 |
故解得,Q=4k
d | 2 |
1 |
2 |
v | 2 0 |
(3)由于每次穿过磁场区时,都有安培力做功产生电热,可知棒的振幅逐渐变小,最后棒不再返回磁场区,在只受到弹簧弹力的作用下做简谐运动.
答:
(1)第一次穿越条形磁场区域过程中,电阻R中通过的电荷量q为
5
| ||
3R |
(2)第一次向右运动穿越磁场区域中电阻R产生的焦耳热Q为4kd2-
1 |
2 |
v | 2 0 |
(3)棒不再返回磁场区,在只受到弹簧弹力的作用下做简谐运动.
点评:本题中感应电量的公式q=
=
,利用求和的方法推导,要学会应用.第2问是能量守恒的应用,分析能量如何转化是关键.
△Φ |
R |
B△S |
R |
练习册系列答案
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如图所示,阻值为R的金属棒垂直放在水平光滑金属导轨上,导轨电阻不计,匀强磁场垂直导轨平面。金属棒从图示位置ab分别以v和2v的速度沿导轨匀速滑到a1b1位置,则在这两次过程中
A.回路电流I1:I2=1:2 |
B.产生热量Q1:Q2=1:2 |
C.通过金属棒任一截面的电荷量q1:q2=1:2 |
D.外力功率P1:P2=1:2 |