题目内容

4.如图(a)所示,间距为L、电阻不计的光滑导轨固定在倾角为θ的斜面上.在区域I内有方向垂直于斜面的匀强磁场,磁感应强度恒为B不变;在区域Ⅱ内有垂直于斜面向下的匀强磁场,其磁感应强度Bt的大小随时间t变化的规律如图(b)所示.t=0时刻在轨道上端的金属细棒ab从如图位置由静止开始沿导轨下滑,同时下端的另一金属细棒cd在位于区域I内的导轨上也由静止释放.在ab棒运动到区域Ⅱ的下边界EF之前,cd棒始终静止不动,两棒均与导轨接触良好.
已知cd棒的质量为0.6m、电阻为0.3R,ab棒的质量、阻值均未知,区域Ⅱ沿斜面的长度为L,在t=tx时刻(tx未知)ab棒恰好进入区域Ⅱ,重力加速度为g.求:

(1)区域I内磁场的方向;
(2)通过cd棒中的电流大小和方向;
(3)ab棒开始下滑的位置离区域Ⅱ上边界的距离;
(4)ab棒从开始下滑至EF的过程中,回路中产生总的热量.
(结果用B、L、θ、m、R、g中的字母表示)

分析 (1)Ⅱ内磁场均匀变化,在回路中形成感应电流,根据楞次定律判断出流过cd的电流方向,然后根据平衡求出cd棒所受安培力方向,进一步根据左手定则判断磁场方向.根据导体棒处于平衡状态可知,安培力等于重力沿导轨向下分力,由此可求出通过cd棒中的电流大小和方向.
(2)棒ab进入II区域前后回路中的电动势不变,即磁场变化产生电动势与导体切割磁感线产生电动势相等,据此求出导体棒进入II时速度大小,然后根据导体棒匀加速下滑的特点即可求出结果.
(3)回路中电流恒定,根据Q=EIt可求出结果.

解答 解:(1、2)如图所示,cd棒受到重力、支持力和安培力的作用而处于平衡状态,由平衡条件得:
BIL=0.6mgsinθ
解得:I=0.6$\frac{mgsinθ}{BL}$;
可见,回路中感应电流和感应电动势保持不变.
由楞次定律可知,流过cd的电流方向为从d到c,cd所受安培力沿导轨向上,故由左手定则可知,I内磁场垂直于斜面向上.故区域I内磁场的方向垂直于斜面向上.
(3)ab进入区域Ⅱ前做匀加速运动,进入后做匀速运动,设ab刚好到达区域Ⅱ的边界的速度大小为v.
在0-tx内,由法拉第电磁感应定律得:
E1=$\frac{△Φ}{△t}$=$\frac{2B-B}{{t}_{x}}$•L2=$\frac{B{L}^{2}}{{t}_{x}}$
在tx后有:E2=BLv
且 E1=E2
解得:v=$\frac{L}{{t}_{x}}$
由s=$\frac{{vt}_{x}}{2}$
解得:s=$\frac{L}{2}$
故ab棒开始下滑的位置离区域Ⅱ上边界的距离为$\frac{L}{2}$.
(4)ab棒进入区域Ⅱ后作匀速直线运动,有:t2=tx,
总时间为:t总=tx+t2=2tx,
电动势E=BLυx不变,总热量为:
Q=EIt总=1.2mgvxtxsinθ=1.2mgLsinθ  
答:(1)区域I内磁场的方向垂直于斜面向上.
(2)通过cd棒中的电流大小是0.6$\frac{mgsinθ}{BL}$,方向由d到c;
(3)ab棒开始下滑的位置离区域Ⅱ上边界的距离s是$\frac{L}{2}$;
(4)ab棒从开始到下滑至EF的过程中,回路中产生的总热量是1.2mgLsinθ

点评 本题考查导体切割磁感线产生感应电动势问题,解决这类问题的关键是弄清电路结构,正确分析电路中的电流以及安培力的变化情况.

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