题目内容
【题目】如图所示,间距L=1m的足够长的光滑平行金属导轨(电阻不计)与水平面成θ=30°角放置,导轨上端连有阻值R=2Ω的电阻和理想电流表,磁感应强度为B=1T的匀强磁场垂直导轨平面。现有质量m=1kg、长度略大于L的金属棒,以初速度v0=10m/s从导轨上某一位置PP′开始沿导轨向上滑行,金属棒垂直导轨且与导轨接触良好,金属棒在导轨间的电阻r=2Ω,与此同时对金属棒施加一个平行于导轨平面向上且垂直于棒的外力F,以保证金属棒匀减速上滑,已知棒向上运动的过程中,电阻R上的电压均匀变化(每1s内变化2V),g取10m/s2。求:
(1)电流表读数的最大值
(2)棒的加速度和外力F的最大值;
(3)棒向上运动的最大距离和该过程中电阻R上通过的电量。
【答案】(1)2.5A;(2)4m/s2;11.5N;(3)12.5m; 3.125C。
【解析】
(1)金属棒速度最大时,感应电动势E最大,电流I最大,有
Em=BLv0
根据闭合电路的欧姆定律可得
(2)设棒运动速度为v时,棒上感应电动势为E,有
E=BLv
由闭合电路欧姆定律得
E=I(R+r)
设电阻R两端电压为U,由欧姆定律U=IR得
式中R、r、B、L均为定值,故有
则加速度
开始时,速度最大,安培力最大,则外力F最大,根据牛顿第二定律可得
F-BImL-mgsin30°=ma
解得
F=11.5N
(3)由速度位移关系可得:v02=2ax得
根据电荷量的计算公式可得
代入数据解得
q=3.125C
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