题目内容
9.(1)在线框进入磁场过程中,通过线框导线某一截面的电量q;
(2)在cd边刚进入磁场时,线框速度大小v;
(3)线框穿越磁场区域过程中,线框所产生的热量Q;
(4)磁场区域的高度H;
(5)线框从开始下落到离开磁场过程所经历的时间t.
分析 (1)根据法拉第电磁感应定律、欧姆定律和电流的定义式求解电量q.
(2)根据线框进入和穿出磁场过程的相似性知道,cd边进磁场瞬间加速度为零,由安培力与速度的关系及平衡条件求线框的速度大小v.
(3)根据牛顿第二定律和安培力与速度的关系式,求出线框刚进入磁场时的速度,再由能量守恒定律求热量Q.
(4)线框完全在磁场中运动时不产生感应电流,不受安培力,遵守机械能守恒,由机械能守恒定律求H.
(5)研究线框进入磁场的过程,由牛顿第二定律和加速度的定义式,运用积分法求时间.由匀变速直线运动的位移时间公式求出线框从cd边刚磁场到ab边刚出磁场的时间.从而可求得总时间.
解答 解:(1)在线框进入磁场过程中,通过线框导线某一截面的电量 q=$\overline{I}t$=$\frac{\overline{E}}{R}t$=$\frac{B{L}_{1}\overline{v}t}{R}$=$\frac{B{L}_{1}{L}_{2}}{R}$
(2)根据线框进入和穿出磁场过程的相似性知道,cd边进磁场瞬间加速度为零,则有
mg=F安;
又安培力 F安=BIL1=B$\frac{B{L}_{1}v}{R}$L1=$\frac{{B}^{2}{L}_{1}^{2}v}{R}$
联立解得 v=$\frac{mgR}{{B}^{2}{L}_{1}^{2}}$
(3)设线框刚进入磁场时的速度为v0.
根据牛顿第二定律得:$\frac{{B}^{2}{L}_{1}^{2}{v}_{0}}{R}$-mg=ma=m$•\frac{g}{4}$
解得 v0=$\frac{5mgR}{4{B}^{2}{L}_{1}^{2}}$
线框穿越磁场区域过程中,根据能量守恒定律得
Q=2×[($\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}-\frac{1}{2}m{v}^{2}$)+mgL1]=$\frac{9{m}^{3}{g}^{2}{R}^{2}}{32{B}^{4}{L}_{1}^{4}}$+2mgL1
(4)对于线框完全在磁场中运动的过程,由运动学公式有
v02-v2=2g(H-2L2)
解得 H=$\frac{9{m}^{2}g{R}^{2}}{32{B}^{4}{L}_{1}^{4}}$+2L2.
(5)线框自由下落的时间 t1=$\frac{{v}_{0}}{g}$=$\frac{5mR}{4{B}^{2}{L}_{1}^{2}}$
研究线框进入磁场的过程,由牛顿第二定律得
$\frac{{B}^{2}{L}_{1}^{2}{v}_{0}}{R}$-mg=ma=m$\frac{△v}{△t}$
即 $\frac{{B}^{2}{L}_{1}^{2}{v}_{0}}{R}$△t-mg△t=m△v
两边求和得:$\sum_{\;}^{\;}$($\frac{{B}^{2}{L}_{1}^{2}{v}_{0}}{R}$△t)-$\sum_{\;}^{\;}$(mg△t)=$\sum_{\;}^{\;}$m△v
可得 $\frac{{B}^{2}{L}_{1}^{2}}{R}$•L2-mgt2=m(v0-v)
解得线框进入磁场的时间 t2=$\frac{{B}^{2}{L}_{1}^{2}{L}_{2}}{mgR}$-$\frac{mR}{{B}^{2}{L}_{1}^{2}}$
线框从cd边刚磁场到ab边刚出磁场的时间设为t3.
则 t3=$\frac{{v}_{0}-v}{g}$=$\frac{mR}{4{B}^{2}{L}_{1}^{2}}$
故线框从开始下落到离开磁场过程所经历的时间 t=t1+2t2+t3=$\frac{2{B}^{2}{L}_{1}^{2}{L}_{2}}{mgR}$-$\frac{mR}{2{B}^{2}{L}_{1}^{2}}$.
答:
(1)在线框进入磁场过程中,通过线框导线某一截面的电量q是$\frac{B{L}_{1}{L}_{2}}{R}$;
(2)在cd边刚进入磁场时,线框速度大小v是$\frac{mgR}{{B}^{2}{L}_{1}^{2}}$;
(3)线框穿越磁场区域过程中,线框所产生的热量Q是$\frac{9{m}^{3}{g}^{2}{R}^{2}}{32{B}^{4}{L}_{1}^{4}}$+2mgL1;
(4)磁场区域的高度H是$\frac{9{m}^{2}g{R}^{2}}{32{B}^{4}{L}_{1}^{4}}$+2L2;
(5)线框从开始下落到离开磁场过程所经历的时间t是$\frac{2{B}^{2}{L}_{1}^{2}{L}_{2}}{mgR}$-$\frac{mR}{2{B}^{2}{L}_{1}^{2}}$.
点评 本题要分析清楚线框的运动过程,熟练推导出电量和安培力的表达式,运用牛顿第二定律和加速度的定义式求线框进入磁场的时间是关键.
| A. | 质点在t=1.Os时所处的位置为x=+4$\sqrt{3}$cm | |
| B. | 质点在t=1.Os时所处的位置为x=-4$\sqrt{3}$cm | |
| C. | 由起始位置运动到x=-4cm处所需的最短时间为$\frac{2}{3}$s | |
| D. | 由起始位罝运动到x=-4cm处所需的最短时间为$\frac{1}{6}$s |
| A. | 物体的质量为3kg | B. | 物体的加速度大小为5m/s2 | ||
| C. | 弹簧的劲度系数为7.5N/cm | D. | 物体与弹簧分离时动能为0.4J |