题目内容

1.如图所示,两根水平的金属光滑平行导轨,其末端连接等高光滑的$\frac{1}{4}$圆弧,其轨道半径为r、圆弧段在图中的cd和ab之间,导轨的间距为L,轨道的电阻不计.在轨道的顶端接有阻值为R的电阻,整个装置处在竖直向上的匀强磁场中,磁感应强度为B.现有一根长度稍大于L、电阻不计,质量为m的金属棒,从轨道的水平位置ef开始在拉力作用下,从静止匀加速运动到cd的时间为t0,调节拉力使金属棒接着沿圆弧做匀速圆周运动至ab处,已知金属棒在ef和cd之间运动时的拉力随时间图象如图(其中图象中的F0、t0为已知量),求:

(1)金属棒做匀加速的加速度;
(2)金属棒从cd沿$\frac{1}{4}$圆弧做匀速圆周运动至ab的过程中,拉力做的功.

分析 (1)根据法拉第电磁感应定律、欧姆定律写出F随速度的变化的公式,然后结合牛顿第二定律即可求出加速度.
(2)金属棒做匀速圆周运动,回路中产生正弦式交变电流,感应电动势的最大值为Em=BLv0,有效值为E=$\frac{\sqrt{2}}{2}$Em,根据焦耳定律Q=$\frac{{E}^{2}}{R}$求出求解金属棒产生的热量.再根据功能关系求拉力做功.

解答 解:(1)设棒到达cd的速度为v,产生的电动势:E=BLv;
感应电流:$I=\frac{E}{R}$
棒受到的安培力:${F}_{安}=BIL=\frac{{B}^{2}{L}^{2}v}{R}$
棒受到拉力与安培力的作用,产生的加速度:ma=F0-F安
所以:$a=\frac{{F}_{0}R}{{B}^{2}{L}^{2}{t}_{0}+mR}$
(2)金属棒做匀速圆周运动,当棒与圆心的连线与竖直方向之间的夹角是θ时,沿水平方向的分速度:
v水平=v•cosθ
棒产生的电动势:E′=BLv水平=BLvcosθ
回路中产生正弦式交变电流,可得产生的感应电动势的最大值为Em=BLv,有效值为E有效=$\frac{\sqrt{2}}{2}{E}_{m}$,
棒从cd到ab的时间:$t=\frac{\frac{1}{4}•2πr}{v}=\frac{πr}{2v}$
根据焦耳定律Q=$\frac{{E}_{有效}^{2}}{R}•t$=$\frac{π{F}_{0}{B}^{2}{L}^{2}{t}_{0}r}{4({B}^{2}{L}^{2}{t}_{0}+mR)}$.
设拉力做的功为WF,由功能关系有  WF-mgr=Q
得:${W}_{F}=mgr+\frac{π{F}_{0}{B}^{2}{L}^{2}{t}_{0}r}{4({B}^{2}{L}^{2}{t}_{0}+mR)}$.
答:(1)金属棒做匀加速的加速度是$\frac{{F}_{0}R}{{B}^{2}{L}^{2}{t}_{0}+mR}$;
(2)金属棒从cd沿$\frac{1}{4}$圆弧做匀速圆周运动至ab的过程中,拉力做的功是$mgr+\frac{π{F}_{0}{B}^{2}{L}^{2}{t}_{0}r}{4({B}^{2}{L}^{2}{t}_{0}+mR)}$

点评 解决本题的关键是判断出回路中产生的是正弦式交变电流,相当于线圈在磁场中转动时单边切割磁感线,要用有效值求解热量.

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