题目内容

9.如图1所示,两根足够长的金属导轨ab、cd与水平面成θ=37°固定,导轨间距离为L=1m,电阻不计.在导轨上端接一个阻值为R0的定值电阻.在c、N之间接有电阻箱.整个系统置于匀强磁场中,磁感应强度方向与导轨所在平面垂直,磁感应强度大小为B=lT;现将一质量为m、电阻可以忽略的金属棒MN从图示位置由静止开始释放.金属棒下滑过程中与导轨接触良好.金属棒与导轨间的滑动摩擦因数为μ=0.5.改变电阻箱的阻值R,测定金属棒的最大速度Vm,得到Vm-R的关系如图2所示.若轨道足够长,重力加速度g取10m/s2.求:

(1)金属杆的质量m和定值电阻 R0的阻值;
(2)当电阻箱R取3.5Ω时,且金属杆的加速度为1m/s2时,此时金属杆的速度.

分析 (1)根据 E=BLv、欧姆定律和安培力、F=BIL推导出安培力的表达式,当杆匀速运动时速度最大,由平衡条件得到最大速度vm与R的关系式,根据图象的斜率和纵截距求解金属杆的质量m和电阻R0的阻值;
(2)当金属棒的加速度为1m/s2时时,根据牛顿第二定律求解速度.

解答 解:(1)金属杆切割磁感线产生的感应电动势:E=BLvm,
由闭合电路欧姆定律得:I=$\frac{E}{R+{R}_{0}}$,
金属杆速度最大时做匀速直线运动,由平衡条件得:
mgsinθ=BIL+μmgcosθ,解得:vm=$\frac{mg(sinθ-μcosθ)}{{B}^{2}{L}^{2}}$R+$\frac{mg(sinθ-μcosθ)}{{B}^{2}{L}^{2}}$R0,
由Vm-R图象可知:$\frac{mg(sinθ-μcosθ)}{{B}^{2}{L}^{2}}$=1,$\frac{mg(sinθ-μcosθ)}{{B}^{2}{L}^{2}}$R0=0.5,
解得:m=0.5kg,R0=0.5Ω;
(2)金属杆下滑速度为v时,E′=BLv,
电流:I′=$\frac{E′}{R+{R}_{0}}$,
由牛顿第二定律得:mgsinθ-BIL-μmgcosθ=ma,
代入数据解得:v=2m/s;
答:(1)金属杆的质量m为0.5kg,定值电阻R0的阻值为0.5欧姆;
(2)当电阻箱R取3.5Ω时,且金属杆的加速度为1m/s2时,此时金属杆的速度为2m/s.

点评 本题综合考查了法拉第电磁感应定律、闭合电路欧姆定律、牛顿第二定律等,综合性强,对学生能力的要求较高,其中安培力的分析和计算是关键.

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