题目内容
如图所示,在与水平面成θ角的矩形框范围内有垂直于框架的匀强磁场,磁感应强度为B,框架的ad边和bc边电阻不计,而ab边和cd边电阻均为R,长度均为L,有一质量为m、电阻为2R的金属棒MN,无摩擦地冲上框架,上升最大高度为h,在此过程中ab边产生的热量为Q,求在金属棒运动过程中整个电路的最大热功率Pmax。
解:棒MN沿框架向上运动产生感应电动势,相当于电源;ab和cd相当于两个外电阻并联。根据题意可知,ab和cd中的电流相同,MN中的电流是ab中电流的2倍。由焦耳定律知,当ab边产生的热量为Q时,cd边产生的热量也为Q,MN产生的热量则为8Q。金属棒MN沿框架向上运动过程中,能量转化情况是:MN的动能转化为MN的势能和电流通过MN、ab、cd时产生的热量。
设MN的初速度为,由能量守恒得,即
而MN在以速度v上滑时,产生的瞬时感应电动势
所以,整个电路的瞬时热功率为
可见,当MN的运动速度v为最大速度时,整个电路的瞬时热功率P为最大值,即
设MN的初速度为,由能量守恒得,即
而MN在以速度v上滑时,产生的瞬时感应电动势
所以,整个电路的瞬时热功率为
可见,当MN的运动速度v为最大速度时,整个电路的瞬时热功率P为最大值,即
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