题目内容

18.如图甲所示,MN、FQ为间距L=0.5m且足够长的粗糙平行导轨,NQ⊥MN,导轨的电阻均不计.导轨平面与水平面间的夹角θ=37°,NQ间连接有一个R=4Ω的电阻.有一匀强磁场垂直于导轨平面且方向向上,磁感应强度为B=1T.将一根质量为m=0.05kg、内阻为r的金属棒ab紧靠NQ放置在导轨上,且与导轨接触良好.现由静止释放金属棒,当金属棒滑行至cd处时刚好达到稳定速度,已知在此过程中通过金属棒截面的电量q=0.2C,且金属棒的加速度a与速度v的关系如图乙所示,设金属棒沿导轨向下运动过程中始终与NQ平行.(g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8).求:
(1)金属棒与导轨平面间的滑动摩擦因数μ和金属棒的内阻r;
(2)金属棒从静止开始下滑至cd位置的过程中下滑的距离S;
(3)金属棒从静止开始滑行至cd位置的过程中,电阻R上产生的电热QR.

分析 (1)根据牛顿第二定律,结合安培力的表达式求出加速度与速度的表达式,结合图线的斜率和截距求出金属棒与导轨平面间的滑动摩擦因数μ和金属棒的内阻r;
(2)根据电量的表达式$q=n\frac{△Φ}{{R}_{总}}$,通过面积的变化求出金属棒从静止开始下滑至cd位置的过程中下滑的距离S;
(3)根据能量守恒定律求出整个回路产生的焦耳热,从而根据电阻关系求出电阻R上产生的焦耳热.

解答 解:(1)下滑的过程中,金属棒所受的安培力${F}_{A}=BIL=\frac{{B}^{2}{L}^{2}v}{R+r}$,
根据牛顿第二定律得,a=$\frac{mgsinθ-\frac{{B}^{2}{L}^{2}v}{R+r}-μmgcosθ}{m}$=$gsinθ-μgcosθ-\frac{{B}^{2}{L}^{2}v}{m(R+r)}$,
纵轴截距gsinθ-μgcosθ=2,斜率k=-$\frac{{B}^{2}{L}^{2}}{m(R+r)}$=-1,
代入数据解得μ=0.5,r=1Ω.
(2)根据q=$\frac{△Φ}{R+r}=\frac{BLS}{R+r}$得,S=$\frac{q(R+r)}{BL}=\frac{0.2×5}{1×0.5}m=2m$.
(3)cd棒稳定时,加速度a=0,速度v=2m/s,
根据能量守恒得,$mgssinθ=μmgcosθ•s+Q+\frac{1}{2}m{v}^{2}$,
代入数据解得整个回路产生的焦耳热Q=0.1J,
则电阻R上产生的热量${Q}_{R}=\frac{R}{R+r}Q=\frac{4}{4+1}×0.1J=0.08J$.
答:(1)金属棒与导轨平面间的滑动摩擦因数μ为0.5,金属棒的内阻r为1Ω;
(2)金属棒从静止开始下滑至cd位置的过程中下滑的距离S为2m;
(3)金属棒从静止开始滑行至cd位置的过程中,电阻R上产生的电热为0.08J.

点评 本题考查了牛顿运动定律、闭合电路殴姆定律,安培力公式、感应电动势公式,还有动能定理.同时当金属棒速度达到稳定时,则一定是处于平衡状态,原因是安培力受到速度约束的.还巧妙用磁通量的变化去求出面积从而算出棒的距离.

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