题目内容

【题目】如图所示,间距为L的平行且足够长的光滑导轨由两部分组成.倾斜部分与水平部分平滑相连,倾角为θ,在倾斜导轨顶端连接一阻值为r的定值电阻.质量为m、电阻也为r的金属杆MN垂直导轨跨放在导轨上,在倾斜导轨区域加一垂直导轨平面向下、磁感应强度为B的匀强磁场;在水平导轨区域加另一垂直轨道平面向下、磁感应强度也为B的匀强磁场.闭合开关S,让金属杆MN从图示位置由静止释放,已知金属杆MN运动到水平轨道前,已达到最大速度,不计导轨电阻,且金属杆MN始终与导轨接触良好并保持跟导轨垂直,重力加速度为g.

(1)求金属杆MN在倾斜导轨上滑行的最大速率vm

(2)若金属杆MN在倾斜导轨上运动,速度未达到最大速度vm前,在流经定值电阻的电流从零增大到I0的过程中,通过定值电阻的电荷量为q,求这段时间内金属杆MN通过的距离x

(3)求在(2)中所述的过程中,定值电阻上产生的焦耳热Q

【答案】(1)(2)(3)

【解析】

(1)金属杆达到最大速度时,受重力、支持力和安培力,根据平衡条件列式求解安培力,根据安培力公式和切割公式列式求解最大速度;(2)用电量的物理意义是取平均电流,对应磁通量的变化,即可求解位移. (3)已知位移可得到恒力做功,再根据功能关系列式求解产生的电热;

(1)金属杆MN在倾斜导轨上滑行的速度最大时,其受到的合力为零,

对其受力分析,可得mgsin θ-BImL=0

根据法拉第电磁感应定律、闭合电路欧姆定律可得:

解得:

(2)由电流的定义可得:

根据法拉第电磁感应定律、闭合电路欧姆定律得:平均电流

解得:

(3)设电流为I0时金属杆MN的速度为v0,

根据法拉第电磁感应定律、闭合电路欧姆定律,可得

解得:

设此过程中,电路产生的焦耳热为Q热,

由功能关系可得:

定值电阻r产生的焦耳热

解得:

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