题目内容
【题目】如图所示,两根电阻不计且足够长的平行金属导轨倾斜放置,倾角α=37°,导轨间距L=1m,顶端用电阻R=2Ω的定值电阻相连。虚线上方存在垂直于导轨所在平面向上的匀强磁场,磁感应强度大小B=1T。质量m1=0.1kg、电阻R1=4Ω的导体棒M在磁场中距虚线的距离d=2m,M与导轨间的动摩擦因数μ1=0.25,质量m2=0.3kg、电阻R2=2Ω的导体棒N在虚线处,N与导轨间的动摩擦因数μ2=0.8。将导体棒M、N同时从导轨上由静止释放,M到达虚线前已经匀速,重力加速度g取10m/s2,运动过程中M、N与导轨始终接触良好,已知sin37°=0.6,cos37°=0.8。
(1)求M、N相碰前,M上产生的焦耳热;
(2)求M、N相碰前M运动的时间;
(3)M、N相遇发生弹性碰撞,碰后瞬间对M施加一个沿斜面方向的作用力F,使M、N同时匀减速到零,求M棒在减速到零的过程中作用力F的大小随时间变化的表达式。
【答案】(1)0.48J;(2)1.5s;(3)F=0.96-0.08t(t≤2.5s)
【解析】
(1)M棒匀速时,有
m1gsin37°=μ1m1gcos37°+BIL①
E=BLv0②
③
④
M棒从开始到达虚线位置,有
⑤
M棒、N棒、电阻R产生的焦耳热之比为
QM∶QN∶QR=8∶1∶1⑥
QM=⑦
由①~⑦式解得
QM=0.48J
(2)对M棒由动量定理有
(m1gsin37-μ1m1gcos37°-BL)t=m1v0⑧
q=t=⑨
Φ=BLd⑩
t=1.5s
(3)对M、N棒碰撞过程,有
m1v0=m1v1+m2v2
碰后对N棒
μ2m2gcos37°-m2gsin37=m2a2
v2=a2t0
碰后对M棒
m1gsin37+μ1m1gcos37°+BI′L-F=m1a1
v1=a1t0
t0=2.5s
由~式解得
F=0.96-0.08t(t≤2.5s)