题目内容

2.如图所示,两根足够长粗糙的固定平行金属导轨位于倾角θ=30°的斜面上,导轨上端接有阻值R1=15Ω的电阻,下端接有阻值R2=30Ω的电阻,导轨电阻忽略不计,导轨宽度L=2m,在整个导轨平面内都有垂直于导轨平面向上的匀强磁场,磁感应强度B=1T.质量m=0.1kg、连入电路的电阻r=10Ω的金属棒ab在较高处由静止释放,当金属棒ab下滑高度h=3m时,速度恰好达到最大值v=2m/s,金属棒ab在下滑过程中始终与导轨垂直且与导轨接触良好.g取10m/s2.求:
(1)金属棒ab在下滑过程中所受摩擦力的大小
(2)金属棒ab由静止至下滑高度为3m的运动过程中导轨上端电阻R1中产生的热量QR1.(结果取2位有效数字)

分析 (1)金属棒匀速运动时速度最大,应用平衡条件可以求出摩擦力大小.
(2)应用能量守恒定律可以求出产生的焦耳热,然后求出电阻R1中产生的热量.

解答 解:(1)电路总电阻:R=r+$\frac{{R}_{1}{R}_{2}}{{R}_{1}+{R}_{2}}$=10+$\frac{15×30}{15+30}$=20Ω,
感应电动势:E=BLv=1×2×2=4V,
通过金属棒的电流:I=$\frac{E}{R}$=$\frac{4}{20}$=0.2A,
金属棒受到的安培力:F安=BIL=1×0.2×2=0.4N,
金属棒匀速运动时速度最大,由平衡条件得:
F安+f=mgsin30°,解得,摩擦力:f=0.1N;
(2)金属棒ab机械能的减少量:△E=mgh-$\frac{1}{2}$mv2,
由能量守恒得,损失的机械能等于金属棒ab克服摩擦力做功和产生的总电热之和,
电热Q=△E-f$\frac{h}{sin30°}$,
上端电阻R中产生的热量:QR1=$\frac{1}{3}$Q,
解得:QR1=0.73 J.
答:(1)金属棒ab在下滑过程中所受摩擦力的大小为0.1N.
(2)金属棒ab由静止至下滑高度为3m的运动过程中导轨上端电阻R1中产生的热量QR1为0.73J.

点评 本是导体在导轨上滑动的类型,从力和能两个角度研究.力的角度,关键是安培力的分析和计算.能的角度要分析过程中涉及几种能、能量如何是转化的.

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