题目内容

14.如图甲,两足够长的平行光滑金属导轨ab、cd倾斜放置,两导轨之间的距离为L=0.5m,导轨平面与水平面间的夹角为θ=30°,导轨上端a、c之间连接有一阻值为R1=4Ω的电阻,下端b、d之间接有一阻值为R2=4Ω的小灯泡.有理想边界的匀强磁场垂直于导轨平面向上,虚线ef为磁场的上边界,ij为磁场的下边界,此区域内的感应强度B,随时间t变化的规律如图乙所示,现将一质量为m=1kg的金属棒MN,从距离磁场上边界ef的一定距离处,从t=0时刻开始由静止释放,金属棒MN从开始运动到经过磁场的下边界ij的过程中,小灯泡的亮度始终不变.金属棒MN在两轨道间的电阻r=1Ω,其余部分的电阻忽略不计,ef、ij边界均垂直于两导轨.重力加速度g=10m/s2.求:
(l)小灯泡的实际功率;
(2)金属棒MN穿出磁场前的最大速率;
(3)整个过程中小灯泡产生的热量.

分析 (1)由题先分析金属棒MN:由图知,磁感应强度B先均匀增大后不变,而小灯泡的亮度始终不变,说明金属棒MN进入磁场后作匀速直线运动,速度达到最大,由平衡条件列式,可求得通过MN棒的电流,即可得到小灯泡的电流,由功率公式P=I2R求解小灯泡的实际功率.
(2)金属棒MN进入磁场后作匀速直线运动,速度达到最大.根据闭合电路欧姆定律可求得感应电动势,再由感应电动势公式 E=BLv求解金属棒MN穿出磁场前的最大速率;
(3)金属棒进入磁场前,由牛顿第二定律和运动学公式结合求出棒匀加速运动的时间;运用法拉第电磁感应定律求出磁场区域的长度,求出棒MN通过磁场区域的时间,即可根据灯泡的功率不变,求出产生的热量.

解答 解:(1)由于小灯泡的亮度始终不变,说明金属棒MN进入磁场后做匀速直线运动,速度v达到最大,由平衡条件得:mgsinθ=BIL
小灯泡的电功率为:P=$(\frac{I}{2})^{2}{R}_{2}$
代入数据,解得:P=25 W
(2)由闭合电路欧姆定律,则有:I=$\frac{E}{R}$,其中,总电阻为R=$\frac{{R}_{1}}{2}+r$
由切割产生的感应电动势公式得,E=BLv,
联立上式,代入数据,解得:v=15m/s;
(3)金属棒进入磁场前,由牛顿第二定律可得,mgsinθ=ma
加速度为a=gsin30°=5m/s2;
进入磁场前所用的时间为:${t}_{1}=\frac{v}{a}$;
设磁场区域的长度为x,在0~t1时间内,
由法拉第电磁感应定律,则有:
$E′=\frac{△∅}{△t}=\frac{LxB}{{t}_{1}}$
金属棒MN进入磁场前,总电阻为:R=$\frac{{R}_{1}r}{{R}_{1}+r}+{R}_{2}$
感应电动势为:E′=$\frac{I}{2}R$
在磁场中运动的时间为:${t}_{2}=\frac{x}{v}$;
整个过程中产生的热量为:Q=P(t1+t2)
代入数据,解得:Q=135J;
答:(l)小灯泡的实际功率25W;
(2)金属棒MN穿出磁场前的最大速率15m/s;
(3)整个过程中小灯泡产生的热量135J.

点评 解答本题的关键要能判断出棒MN的运动情况,再运用电路知识、电磁感应和力学知识,分析求解.

练习册系列答案
相关题目

违法和不良信息举报电话:027-86699610 举报邮箱:58377363@163.com

精英家教网