题目内容
1.如图(a)所示,宽度为L的足够长光滑金属导轨水平固定在磁感强度为B、范围足够大的匀强磁场中,磁场方向垂直于导轨平面向上.现有一根质量为m、电阻为R的金属棒MN放置在金属导轨上,金属棒MN始终与导轨接触良好且垂直,不计导轨电阻.(1)若金属棒MN在水平向右的力F的作用下以速度v向右匀速运动,请判断通过MN棒的电流方向,并利用能的转化和能量守恒定律,通过推导证明棒MN产生的感应电动势E=BLv;
(2)若金属棒MN在水平恒力F的作用下由静止开始运动,试从速度、加速度两个角度通过分析、推理、计算来描述金属棒MN的运动状态;
(3)若给金属棒MN向右的初速度同时施加一水平外力,使金属棒MN作匀减速直线运动,此过程中,外力随时间的变化关系图线如图(b)所示(以初速度方向为正方向),图线与横、纵坐标交点分别为t0、F0.求金属棒MN的加速度大小a和初速度v0.
分析 (1)根据右手定则判断电流方向;根据能的转化和能量守恒定律和力的平衡条件联立来证明;
(2)由牛顿第二定律分析加速度大小变化情况,由此确定MN棒的运动情况;
(3)由牛顿第二定律和运动学公式推导外力F的表达式,再根据图象的斜率和截距大小来求解.
解答 解:(1)根据右手定则可知电流方向由M指向N;
设感应电流为I,MN移动s距离所需时间为t.根据能的转化和能量守恒定律可得:W=Fs=EIt,
根据力的平衡可得:F=FA=BIL,
根据匀速直线运动的关系可得:v=$\frac{s}{t}$,
联立解得:E=BLv;
(2)MN棒在外力F和安培力共同作用下运动,由牛顿第二定律得:F-FA=ma,
其中安培力为:FA=BIL=$\frac{{B}^{2}{L}^{2}v}{R}$,
所以有:F-$\frac{{B}^{2}{L}^{2}v}{R}$=ma,
v增大,a减小,MN棒先做加速度逐渐减小的加速运动.
当$\frac{{B}^{2}{L}^{2}v}{R}$=F时,a=0,速度达到最大速度vm,MN棒以vm做匀速运动.
解得最大速度为:vm=$\frac{FR}{{B}^{2}{L}^{2}}$;
(3)由牛顿第二定律,得:FA-F=ma,
即为:$\frac{{B}^{2}{L}^{2}v}{R}$-F=ma,
根据运动学公式可得:v=v0-at,
解得联立得:F=$\frac{{B}^{2}{L}^{2}{v}_{0}}{R}$-ma-$\frac{{B}^{2}{L}^{2}a}{R}t$
由图象可得斜率的绝对值为:k=$\frac{{F}_{0}}{{t}_{0}}$=$\frac{{B}^{2}{L}^{2}a}{R}$
解得:a=$\frac{{F}_{0}R}{{B}^{2}{L}^{2}{t}_{0}}$;
由图象纵轴截距可得:b=F0=$\frac{{B}^{2}{L}^{2}{v}_{0}}{R}$-ma,
解得:v0=$\frac{{F}_{0}R({B}^{2}{L}^{2}{t}_{0}+mR)}{{B}^{4}{L}^{4}{t}_{0}}$.
答:(1)电流方向由M指向N;证明见解析;
(2)MN棒先做加速度逐渐减小的加速运动,当加速度为零后,MN棒做匀速运动;
(3)金属棒MN的加速度大小为$\frac{{F}_{0}R}{{B}^{2}{L}^{2}{t}_{0}}$,初速度v0为$\frac{{F}_{0}R({B}^{2}{L}^{2}{t}_{0}+mR)}{{B}^{4}{L}^{4}{t}_{0}}$.
点评 对于电磁感应问题研究思路常常有两条:一条从力的角度,重点是分析安培力作用下导体棒的平衡问题,根据平衡条件列出方程;另一条是能量,分析涉及电磁感应现象中的能量转化问题,根据动能定理、功能关系等列方程求解.
| A. | 重力做正功,重力势能增加 | |
| B. | 弹力做正功,弹性势能减小 | |
| C. | 金属块的动能最大时,弹力与重力相平衡 | |
| D. | 重力做的功大于弹力做的功 |
| A. | 这段时间内下降的高度1.6m | B. | 重力的最大功率为0.2W | ||
| C. | 下落过程的平均速度大于2m/s | D. | 电阻产生的焦耳热为0.08J |
| A. | MN所受安培力的大小始终没变 | B. | 电容器C的a板先带正电后带负电 | ||
| C. | 电容器C的电荷量大小始终没变 | D. | MN所受安培力的方向先向右后向左 |
| A. | 电磁炉 | B. | 白炽灯泡 | C. | 磁带录音机 | D. | 日光灯镇流器 |