题目内容

【题目】如图所示,导体棒a两端系有两根足够长的、质量和电阻可忽略的柔软导线,导线通过绝缘水平桌面上的轻质小滑轮,穿过立柱P、Q底部的小孔,固定于桌面上的M、N两点。导体棒b置于立柱P、Q左侧,放置在导线上,与两导线接触良好。两导体棒与桌边缘平行,整个装置处于水平向右、磁感应强度为B的匀强磁场中。已知两根棒的质量均为m,电阻均为R,长度均为L,棒b与导线间的动摩擦因数为μ(μ<1),其余各处均光滑,重力加速度为g。现同时松开M、N两点,棒a由静止开始向下运动。

(1)求棒a向下运动速度为v时,棒b中感应电流的大小及方向;

(2)求棒a向下运动速度为v时,棒b所受安培力大小和摩擦力大小;

(3)求棒a在下落过程中的最大速度vm;

(4)若将桌面以上空间的磁场方向改为水平向左,磁感应强度大小保持不变,桌面以下空间的磁场维持原状,求立柱P、Q对棒b的弹力大小范围。

【答案】(1) 方向由P指向Q (2) (3)  (4)

【解析】

(1)当金属棒a以速度v向下运动时,产生感应电动势:

通过b棒的感应电流:

方向由P指向Q 。

(2)金属棒b所受安培力:

金属棒b受力分析如图(a)

b棒处于平衡状态,由平衡条件得:FN=mg+Fb,

又Ff=μFN

金属棒b所受摩擦力:

Ff=μFN=μ(mg+);

(3)金属棒a和两根金属线沿运动方向受力如图(b),Fa为金属棒a所受安培力,Ff'为b棒对金属线的摩擦力。

由牛顿第三定律可知:

Ff'=Ff=μ(mg+),

,

a棒向下加速运动,由牛顿第二定律得:

即:

mg--μ(mg+)=ma,

金属棒做加速度逐渐减小的加速运动,当加速度为零时速度达到最大值vm,因此:

mg--μ(mg+)=0,

解得:

;

(4)桌面及其以上空间的匀强磁场,改为水平向左后,b棒受力如图(c),a棒和两根金属线沿运动方向受力如图(d)。

金属棒b:FN1=mg-Fb 、T=Ff1

a棒向下运动时,立柱P、Q对棒的弹力 :

T =Ff1=μFN1=μ(mg-),

当开始运动时,弹力T有最大值Tmax趋向于μmg  

a棒向下加速运动,由牛顿第二定律得:

即:

mg--μ(mg-)=ma,

金属棒a做加速度逐渐减少的加速运动。当加速度为零时速度达到最大值时,弹力T有最小值。即

mg--μ(mg-)=0 ,

解得:

或 μ=1(舍去)

代入得弹力T最小值:Tmin= 0

因此立柱P、Q对金属棒b的弹力大小范围是(0,μmg)。

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