题目内容

6．如图所示，abcd为一矩形金属线框，其中ab=cd=L，ab边接有定值电阻R，cd边的质量为m，其它部分的电阻和质量均不计，整个装置用两根绝缘轻弹簧悬挂起来．线框下方处在磁感应强度大小为B的匀强磁场中，磁场方向垂直于纸面向里．初始时刻，两弹簧处于自然长度，给线框一竖直向下的初速度v0，当cd边第一次运动至最下端的过程中，R产生的电热为Q，此过程cd边始终未离开磁场，已知重力加速度大小为g，下列说法中正确的是（　　）
A．线框中产生的最大感应电流大于$\frac{BL{v}_{0}}{R}$
B．初始时刻cd边所受安培力的大小为$\frac{{B}^{2}{L}^{2}{v}_{0}}{R}$-mg
C．cd边第一次到达最下端的时刻，两根弹簧具有的弹性势能总量大于$\frac{1}{2}$mv02-Q
D．在cd边反复运动过程中，R中产生的电热最多为$\frac{1}{2}$mv02

分析 对cd棒受力分析，确定棒的运动形式，求解最大速度，再由E=BLv和$I=\frac{E}{R}$及F=BIL分别确定电流和安培力的大小，再由能量守恒定律确定能量关系．

解答 解：A、cd棒开始运动后，对cd棒受力分析，受重力和安培力及弹簧弹力，无法确定重力和安培力的关系，当重力大于安培力时，由$mg-\frac{{B}^{2}{L}^{2}v}{R}-kx=ma$，合力方向向下，可知导体棒可能先做加速度减小的加速运动，
故v0不是速度的最大值，产生的感应电动势不是最大，感应电流不是最大，当重力小于安培力时，由$\frac{{B}^{2}{L}^{2}v}{R}+kx-mg=ma$，合力方向向上，可知导体棒可能先做加速度减小的减速运动，速度v0为最大值，线框中产生的最大感应电流大于等于$\frac{BL{v}_{0}}{R}$，故A错误；
B、初始时刻时，棒的速度为v0，由E=BLv=BLv0，再由$I=\frac{E}{R}$=$\frac{BL{v}_{0}}{R}$，F=BIL=$\frac{{B}^{2}{L}^{2}{v}_{0}}{R}$，故B错误；
C、cd边第一次到达最下端的时刻，由能量守恒定律可知，导体棒的动能和减少的重力势能转化为焦耳热及弹簧的弹性势能，即：$mgh+\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}={E}_{p}+Q$，所以：${E}_{P}-mgh=\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}-Q$，故弹簧弹性势能大于$\frac{1}{2}$mv02-Q，故C正确；
D、在cd边反复运动过程中，可知最后棒静止在初始位置的下方，设弹簧的劲度系数为k，由mg=kx得：x=$\frac{mg}{k}$，由能量守恒定律可知，导体棒的动能和减少的重力势能转化为焦耳热及弹簧的弹性势能，弹性势能${E}_{P}=\frac{1}{2}k{x}^{2}=\frac{{m}^{2}{g}^{2}}{2k}$，减少的重力势能为：mgh=$\frac{{m}^{2}{g}^{2}}{k}$，因重力势能大于弹性势能，根据$mgh+\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}={E}_{p}+Q$，可知热量应大于$\frac{1}{2}$mv02，故D错误；
故选：C

点评 本题中弄清，棒的运动形式及临界条件，分别有能量守恒定律和电磁感应定律求解电流和安培力大小．

练习册系列答案
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