题目内容

【题目】如图所示,水平放置的两条平行金属导轨相距 L=lm,处在竖直向下的 B=0.5T 匀强磁场中,金属棒 MN 置于平导轨上,金属棒与导轨垂直且接触良好,MN 的质量为 m=0.2kg, MN 的电阻为 r=1.0Ω,与水平导轨间的动摩擦因数 μ=0.5,外接 电阻 R=1.5Ω。从 t=0 时 刻起,MN 棒在水平外力 F 的作用下由静止开始以 a=2m/s2 的加速度向右做匀 加速直线运动。不计导轨的电阻,水平导轨足够长, g=10m / s2,求:

(1)t=5s 时,外接电阻 R 消耗的电功率;

(2)t=0~2.0s 时间内通过金属棒 MN 的电荷量;

(3)规定图示 F 方向作为力的正方向,求出 F 随时间 t 变化的函数关系;

(4)若改变水平外力 F 的作用规律,使 MN 棒的运动速度 v 与位移 x 满足关系:V=0.5x ,求 MN 棒从静止开始到 x=6m 的过程中,水平外力 F 所做的功。

【答案】(1)6W(2)0.8C(3)Ft=(1.4+0.2t)N(4)7.8J.

【解析】(1)根据匀变速直线运动速度与时间的关系

导体棒在t=5s时的瞬时速度为:

所以此时由于导体棒切割磁感线产生的电动势:

由闭合电路欧姆定律得回路的电流为:=2A

所以在t=5s时,外接电阻R消耗的电功率为:;

(2)t=0~2.0s 时间内,回路磁通量的变化量为:

由运动学公式可知,导体棒前进的距离为:=4m

导体棒和回路围成的面积变化量为:

故t=0~2.0s 时间内,流过金属棒的电量:=0.8C

(3)以导体棒为研究对象,根据牛顿第二定律得:

其中

根据闭合电路欧姆定律得:

由根据速度和时间的关系:

联立方程并代入数据得: N;

(4)、导体棒做变加速直线运动,在x=6m处,导体棒得速度为=3m/s

因为速度v和位移x成正比,所以电流I、安培力与位移x成正比

故安培力做功:=0.9J

该过程中摩擦力做功:=6J

根据动能定理:

得:=7.8J

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