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4.如图甲所示,两根足够长的平行金属导轨MN、PQ相距为L=0.50m,导轨平面与水平面夹角为α=37°,金属棒ab垂直于MN、PQ放置在导轨上,且始终与导轨接触良好,金属棒的质量为m,导轨处于匀强磁场中,磁场的方向垂直于导轨平面斜向上,磁感应强度大小为B=0.40T.金属导轨的上端与开关S,阻值为R1的定值电阻和电阻箱R2相连,不计一切摩擦,不计导轨、金属棒的电阻.现在闭合开关S,将金属棒由静止释放,金属棒能达到的最大速度vm随电阻箱R2阻值的变化关系如图乙所示.重力加速度为g取10m/s2,sin 37°=0.60,cos 37°=0.80.求R1的大小和金属棒的质量m.

分析 根据法拉第电磁感应定律和闭合电路欧姆定律求解感应电流,根据速度最大受力平衡列方程求解vm随电阻箱R2阻值的变化关系,根据图线斜率和截距列方程求解.

解答 解:设最大速度为vm时,切割磁感线产生的感应电动势为:E=BLvm
由闭合电路欧姆定律得:I=$\frac{E}{{R}_{1}+{R}_{2}}$,
从b端向a端看,金属棒受力如图所示.
金属棒达到最大速度时满足:mgsin α-BIL=0
由以上三式得最大速度:vm=$\frac{mgsinα}{{B}^{2}{L}^{2}}$R2+$\frac{mgsinα}{{B}^{2}{L}^{2}}$R1
图象斜率k=$\frac{60-30}{2.0}$ m/(s•Ω)=15 m/(s•Ω),纵截距b=30 m/s
则:$\frac{mgsinα}{{B}^{2}{L}^{2}}$R1=b,$\frac{mgsinα}{{B}^{2}{L}^{2}}$=k
解得:R1=2.0Ω,m=0.1 kg.
答:R1的大小为2.0Ω,金属棒的质量为0.1kg.

点评 对于电磁感应问题研究思路常常有两条:
一条从力的角度,重点是分析安培力作用下导体棒的平衡问题,根据平衡条件列出方程;
另一条是能量,分析涉及电磁感应现象中的能量转化问题,根据动能定理、功能关系等列方程求解.

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