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.

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