题目内容

1.如图,ae、dg为两根相互平行、水平放置的金属导轨,其ad端接一个阻值为R的定值电阻.边长为L的正方形abcd区域内有一个竖直向下的匀强磁场B1,B1随时间均匀增大.ef、fg为二根金属棒,交点f处绝缘不导通.efg构成一个等边三角形,处在另一水平匀强磁场中,磁感应强度大小为B2.金属棒MN垂直导轨ae、dg放置在eg位置处,从t=0时刻起,在一个垂直金属棒的外力F作用下向右做速率为v的匀速直线运动,回路内产生的感应电流为I.已知金属棒的质量为m,电阻不计,与efg导轨的动摩擦因数为μ.重力加速度为g.求:
(1)B1随时间均匀增大的变化率;
(2)外力F随时间t变化的表达式;
(3)导体棒运动到最右端f点的过程中,回路内摩擦产生的热量Q.

分析 (1)根据法拉第电磁感应定律结合全电路欧姆定律求出B1随时间均匀增大的变化率;
(2)金属棒匀速运动,外力等于摩擦力,
(3)摩擦力与位移成线性关系,根据平均力做功求产生的热量;

解答 解:(1)根据法拉第电磁感应定律${ε_感}=n\frac{△Φ}{△t}=\frac{{△{B_1}}}{△t}{L^2}=IR$,
解得:$\frac{{△{B_1}}}{△t}=\frac{IR}{L^2}$;
(2)金属棒:F=μ(mg+B2ILx),
有效长度${L_x}=L-\frac{{2\sqrt{3}vt}}{3}$,
解得:$F=μmg+μ{B_2}IL-\frac{{2\sqrt{3}}}{3}μ{B_2}Ivt$($0≤t≤\frac{{\sqrt{3}L}}{2v}$);
(3)摩擦力的平均力$\overline{f}=\frac{{f}_{1}^{\;}+{f}_{2}^{\;}}{2}=\frac{μ(mg+{B}_{2}^{\;}IL)+μmg}{2}$=$\frac{1}{2}(μmg+μmg+μ{B}_{2}^{\;}IL)$
克服摩擦力做功等于摩擦产生的热量Q,$Q=\overline{f}•\frac{\sqrt{3}}{2}L$
代入解得:$Q=\frac{1}{2}(μmg+μmg+μ{B_2}IL)\frac{{\sqrt{3}}}{2}L=\frac{{\sqrt{3}}}{4}μ(2mg+{B_2}IL)L$.
答:(1)B1随时间均匀增大的变化率为$\frac{IR}{{L}_{\;}^{2}}$;
(2)外力F随时间t变化的表达式$F=μmg+μ{B}_{2}^{\;}IL-\frac{2\sqrt{3}}{3}μ{B}_{2}^{\;}Ivt$$(0≤t≤\frac{\sqrt{3}L}{2v})$;
(3)导体棒运动到最右端f点的过程中,回路内摩擦产生的热量Q为$\frac{\sqrt{3}}{4}μ(2mg+{B}_{2}^{\;}IL)L$

点评 本题考查法拉第电磁感应定律、安培力、闭合电路的欧姆定律及电路的性质,注意当力和位移呈线性关系时,可以用平均力求做功,也可出作出F-S图象求面积.

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