题目内容

10.如图所示,足够长的U形导体框架的宽度l=0.5m,电阻忽略不计,其所在平面与水平面成θ=37°角,磁感应强度B=0.8T的匀强磁场方向垂直于导体框平面,一根质量m=0.2kg,有效电阻R=2Ω的导体棒MN垂直跨放在U形框架上,导体棒与框架间的动摩擦因数μ=0.5,导体棒由静止开始沿框架下滑到刚开始匀速运动,通过导体棒截面的电量共为Q=2C.求:
(1)导体棒匀速运动的速度;
(2)导体棒的速度为v=3m/s时的加速度a;
(3)导体棒从开始下滑到刚开始匀速运动这一过程中,导体棒的电阻产生的焦耳热.
(sin 37°=0.6,cos 37°=0.8,g=10m/s2)

分析 (1)导体棒匀速运动时受力平衡,由安培力公式求出安培力与速度的关系式,由平衡条件求出速度.
(2)根据牛顿第二定律和安培力公式结合,可求得加速度a.
(3)根据法拉第电磁感应定律推出电量与距离的关系,由电量求出导体棒下滑的距离S,根据能量守恒求解焦耳热.

解答 解:(1)设导体棒匀速运动的速度为vm.
有安培力为:F安=BIL,
感应电流为:I=$\frac{E}{R}$,
感应电动势为:E=BLvm,
则得:F安=$\frac{{B}^{2}{L}^{2}{v}_{m}}{R}$
导体棒匀速下滑时,受力平衡,则得:
mgsin37°=F安+μmgcos37°
代入得:mgsin37°=$\frac{{B}^{2}{L}^{2}{v}_{m}}{R}$+μmgcos37°
代入数据解得:vm=5m/s
(2)导体棒的速度为v=3m/s时所受的安培力大小为:
F安=$\frac{{B}^{2}{L}^{2}v}{R}$=$\frac{0.{8}^{2}×0.{5}^{2}×3}{2}$N=0.24N
根据牛顿第二定律得:
mgsin37°-F安-μmgcos37°=ma
代入数据解得:a=0.8m/s2.
(3)设导体棒由静止开始沿框架下滑到刚开始匀速运动下滑的距离为S,通过导体棒截面的电量为:
Q=$\overline{\overline{I}}$•t=$\frac{\overline{E}}{R}$t=$\frac{BL\overline{v}t}{R}$
又$\overline{v}$t=S
联立得:S=$\frac{QR}{BL}$=$\frac{2×2}{0.8×0.5}$m=10m
根据能量守恒定律,得:
 mgSsin37°=Q+$\frac{1}{2}m{v}_{m}^{2}$+μmgScos37°
得:Q=mgSsin37°-$\frac{1}{2}m{v}_{m}^{2}$-μmgScos37°=(0.2×10×10×0.6-$\frac{1}{2}$×0.2×52-0.5×0.2×10×10×0.8)J=1.5J
答:(1)导体棒匀速运动的速度为5m/s;
(2)导体棒的速度为v=3m/s时的加速度a是0.8m/s2;
(3)导体棒从开始下滑到刚开始匀速运动这一过程中,导体棒的电阻产生的焦耳热是1.5J.

点评 本题是电磁感应与力学的综合题,涉及到电路、磁场、电磁感应和力学多方面知识,其中安培力的分析和计算是关键.这类题型是高考的热点.

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