题目内容
【题目】如图所示,水平桌面上
区域内有竖直向下的匀强磁场,磁感应强度为B。
左侧区域光滑、右侧区域粗糙。
区域和
区域足够宽。用粗细均匀的电阻丝制成边长为x的正方形单匝闭合金属线框,电阻丝单位长度的质量为k,单位长度的电阻为r。电阻丝的直径远远小于线框的边长,线框制作平整,与水平面贴合良好,与粗糙区域的动摩擦因数为
。线框从图示位置以初速度v水平向右运动,能穿过磁场区域。重力加速度为g。
(1)求线框刚进入磁场时的加速度大小;
(2)求线框穿过磁场区域所受安培力的冲量大小;
(3)若初速度
,要线框只能部分进入粗糙区域,求所制作的线框边长x的取值范围(结果表达式中不能含v)。
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【答案】(1)
;(2)
;(3)![]()
【解析】
(1)线框进入磁场时的速度为v,此时相框中的感应电动势为
E=Bxv
线框电阻
R=4rx
线框中的电流
安培力
F=BIx
F=ma
线框质量
m=4kx
则线框的加速度
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(2)所受冲量大小为
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解得
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(3)设相框通过磁场后的速度为v1,由动量定理
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解得
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由v1>0且
可得
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线框所受支持力均匀分布,右侧边克服摩擦力做功
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两个侧边克服摩擦力做功
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线框运动到左边框即将进入粗糙区域的过程中,线框克服摩擦力做功
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线框只能部分进入粗糙区域需满足的条件是
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所以
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带入
解得
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考虑到
,若要线框只能部分进入粗糙区域,线框边长x需满足
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