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下图是导轨式电磁炮实验装置示意图.两根平行长直金属导轨沿水平方向固定,其间安放金属滑块(即实验用弹丸).滑块可沿导轨无摩擦滑行,且始终与导轨保持良好接触.电源提供的强大电流从一根导轨流入,经过滑块,再从另一导轨流回电源.滑块被导轨中的电流形成的磁场推动而发射.在发射过程中,该磁场在滑块所在位置始终可以简化为匀强磁场,方向垂直于纸面,其强度与电流的关系为B=kI,比例常量k=2.5×10-6T/A.已知两导轨内侧间距为l=3.0cm,滑块的质量为m=30g,滑块沿导轨滑行5m后获得的发射速度为v=3.0km/s(此过程视为匀加速运动).
(1)求发射过程中金属滑块的加速度大小;
(2)求发射过程中电源提供的电流强度大小;
(3)若电源输出的能量有9%转换为滑块的动能,则发射过程中电源的输出功率和输出电压各是多大?
分析:(1)由运动学公式确定滑块加速的加速度,再由动能定理求得安培力,最后得到电流强度;
(2)先由运动学公式确定滑块加速的时间,再由能量守恒定律结合已知条件列式求解即可;
(3)根据动能定理和动量守恒定律结合已知条件联立方程组求解即可.
解答:解:(1)由匀加速运动公式 a=
v2
2s
=9×105m/s2
(2)由安培力公式和牛顿第二定律,有 F=IBl=kI2l,
kI2l=ma
因此  I=
ma
kl
=6.0×105A
(3)滑块获得的动能是电源输出能量的,
即P△t×9%=
1
2
mv2
发射过程中电源供电时间△t=
v
a
=
1
3
×10-2s
所需的电源输出功率为P=
mv2
2×△t×9%
=4.5×108W
由功率P=IU,解得输出电压  U=
P
I
=750V
答:(1)求发射过程中金属滑块的加速度大小9×105m/s2;
(2)求发射过程中电源提供的电流强度大小6.0×105A;
(3)若电源输出的能量有9%转换为滑块的动能,则发射过程中电源的输出功率4.5×108W和输出电压750V.
点评:滑块加速过程只有安培力做功,碰撞过程系统动量守恒,还可结合动能定理求解.
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