题目内容

8.如图所示,水平平行放置的两根长直光滑导电轨道MN与PQ上放有一根直导线ab,ab和导轨垂直,轨宽20cm,ab电阻为0.02Ω,导轨处于竖直向下的磁场中,B=0.2T,电阻R=0.03Ω,其它线路电阻不计,ab质量为0.1kg.电键断开,ab从静止开始在水平外力F作用下沿轨道滑动,
(1)当ab速度为10m/s时闭合电键S,ab恰好以10m/s速度匀速滑动,水平拉力F应为多大?此时ab间电压为多少?并说明哪端电势高?
(2)在ab以10m/s速度匀速滑动的某时刻撤去外力,S仍闭合,那么此时开始直至最终静止,R上产生多少热量?

分析 (1)闭合开关S,为了保持ab仍能以10m/s的速度匀速运动,水平拉力与安培力必须平衡,根据E=BLv、欧姆定律和安培力公式F=BIL结合求解水平拉力;由欧姆定律求解ab间电压,由右手定则判断电势高低.
(2)撤去外力F,ab的动能转化为电路中内能,根据能量守恒定律求解.

解答 解:(1)闭合开关S,当ab速度达到10m/s做匀速直线运动时,产生的感应电动势为:
 E=BLv=0.2×0.2×10V=0.4V
感应电流为:I=$\frac{E}{R+r}$=$\frac{0.4}{0.03+0.02}$A=8A
要使ab保持匀速直线运动,水平拉力与安培力必须平衡,则水平拉力为:
  F=F安=BIL=0.2×8×0.2N=0.32N
据右手定则判断知a端的电势比b端的高,则ab间电压为 U=IR=8×0.03V=0.24V
(2)撤去外力F,根据能量守恒定律得:
电路中产生的总热量为:Q=$\frac{1}{2}m{v}^{2}$=$\frac{1}{2}$×0.1×102J=5J
根据焦耳定律得:
R上能产生的焦耳热为  QR=$\frac{R}{R+r}$Q=$\frac{0.03}{0.05}$×5J=3J
答:
(1)水平拉力F应为0.32N,此时ab间电压为0.24V.a端电势高.
(2)此时开始直至最终静止,R上产生3J热量.

点评 对于电磁感应问题,根据法拉第电磁感应定律、欧姆定律求感应电流,再进一步求安培力、热量等等,是基本思路.

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