题目内容

12.如图所示,固定的竖直光滑U型金属导轨,间距为L,上端接有阻值为R的电阻,处在方向水平且垂直于导轨平面、磁感应强度为B的匀强磁场中,质量为m、电阻为r的导体棒与劲度系数为k的固定轻弹簧相连放在导轨上,导轨的电阻忽略不计.初始时刻,弹簧处于伸长状态,其伸长量为x1=$\frac{mg}{k}$,此时导体棒具有竖直向上的初速度v0.在沿导轨往复运动的过程中,导体棒始终与导轨垂直并保持良好接触.则下列说法正确的是(  )
A.初始时刻导体棒受到的安培力大小F=$\frac{{B}^{2}{L}^{2}{v}_{0}}{R}$
B.初始时刻导体棒加速度的大小a=2g+$\frac{{B}^{2}{L}^{2}{v}_{0}}{m(R+r)}$
C.导体棒往复运动,最终将静止时弹簧处于压缩状态
D.导体棒开始运动直到最终静止的过程中,电阻R上产生的焦耳热Q=$\frac{1}{2}$mv02+$\frac{2{m}^{2}{g}^{2}}{k}$

分析 由初动能Ek=$\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$求出初速度,由E=BLv、I=$\frac{E}{R}$、F=BIL,求出安培力的大小.
导体棒最终静止时,弹簧的弹力与之重力平衡,可求出弹簧的压缩量,即导体棒下降的高度.从初始时刻到最终导体棒静止的过程中,导体棒的重力势能和动能减小转化为弹簧的弹性势能和内能,根据能量守恒定律求解电阻R上产生的焦耳热Q.

解答 解:A、导体棒的初速度为v0,初始时刻产生的感应电动势为E,由法拉第电磁感应定律得:
E=BLv0
设初始时刻回路中产生的电流为I,由闭合电路的欧姆定律得:
I=$\frac{E}{R+r}$
设初始时刻导体棒受到的安培力为F,由安培力公式得:F=BIL
联立上式得,F=$\frac{{B}^{2}{L}^{2}{v}_{0}}{R+r}$.故A错误;
B、初始时刻,弹簧处于伸长状态,棒受到重力、向下的安培力和弹簧的弹力,所以:ma=mg+kx+F
得:a=2g+$\frac{{B}^{2}{L}^{2}{v}_{0}}{m(R+r)}$.故B正确;
C、从初始时刻到最终导体棒静止的过程中,导体棒减少的机械能一部分转化为弹簧的弹性势能,另一部分通过克服安培力做功转化为电路中的电能;当导体棒静止时,棒受到重力和弹簧的弹力,受力平衡,所以弹力的方向向上,此时导体棒的位置比初始时刻降低了,故C正确;
D、导体棒直到最终静止时,棒受到重力和弹簧的弹力,受力平衡,则:mg=kx2,得:x2=$\frac{mg}{k}$.由于x1=x2,所以弹簧的弹性势能不变,
由能的转化和守恒定律得:mg(x1+x2)+Ek=Q
解得系统产生的总热量:Q=$\frac{1}{2}$mv02+$\frac{2{m}^{2}{g}^{2}}{k}$
可知R上产生的热量要小于系统产生的总热量.故D错误.
故选:BC

点评 本题中安培力的经验公式F=$\frac{{B}^{2}{L}^{2}v}{R}$,可以由感应电动势、欧姆定律、安培力三个公式结合推导出来,要加强记忆,有助于分析和计算.

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