题目内容
如图所示,MN和PQ是两根放在竖直面内且足够长的平行金属导轨,相距l=50cm。导轨处在垂直纸面向里的磁感应强度B=5T的匀强磁场中。一根电阻为r=0.1Ω的金属棒ab可紧贴导轨左右运动。两块平行的、相距d=10cm、长度L=20cm的水平放置的金属板A和C分别与两平行导轨相连接,图中跨接在两导轨间的电阻R=0.4Ω。其余电阻忽略不计。已知当金属棒ab不动时,质量m=10g、带电量q=-10-3C的小球以某一速度v0沿金属板A和C的中线射入板间,恰能射出金属板(g取10m/s2)。求:
(1)小球的速度v0;
(2)若使小球在金属板间不偏转,则金属棒ab的速度大小和方向;
(3)若要使小球能从金属板间射出,则金属棒ab匀速运动的速度应满足什么条件?
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(1)![]()
(2)![]()
(3)则金属棒ab的速度大小:
方向向右。
解析:
(1)根据题意,小球在金属板间做平抛运动。水平位移为金属板长L=20cm,竖直位移等于
,根据平抛运动规律:![]()
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(2)欲使小球不偏转,须小球在金属板间受力平衡,根据题意应使金属棒ab切割磁感线产生感应电动势,从而使金属板A、C带电,在板间产生匀强电场,小球所受电场力等于小球的重力。
由于小球带负电,电场力向上,所以电场方向向,A板必须带正电,金属棒ab的a点应为感应电动势的正极,根据右手金属棒ab应向右运动。
设金属棒ab的速度为V1,则:E=BLV1
金属板A、C间的电压:![]()
金属板A、C间的电场![]()
小球受力平衡:![]()
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联立以上各式解得:![]()
(3)当金属棒ab的速度增大时,小球所受电场力大于小球的重力,小球将向上做类平抛运动,设金属棒ab的速度达到V2,小球恰沿A金属板右边缘飞出。
根据小球运动的对称性,小球沿A板右边缘飞出和小球沿C板右边缘飞出,其运动加速度相同,故有:![]()
根据上式中结果得到:![]()
所以若要使小球能射出金属板间,则金属棒ab的速度大小:![]()
(
也给分)方向向右。