题目内容

【题目】两条间距为d=0.1m的足够长平行金属导轨水平放置,在两导轨间存在着垂直导轨平面向下的有界磁场,磁感应强度沿坐标轴Ox分区分布,在x>0区域B=3x(T),在-2m≤x≤0区域B=1.5(T),如图所示。金属棒ab与导轨垂直静止在x=1.5m处,长为d=0.1m,质量m=50g,电阻Ω,左端的定值电阻Ω。处在-2m≤x≤0区域的导轨是光滑的,导轨其余部分与ab棒的动摩擦因数均为μ=0.2。在导轨的右侧接有一个带有控制电键的“恒流源”,可提供I=1A的恒定电流,现闭合电键K发现ab棒沿轨道向左运动,求:

(1)闭合电键瞬间ab棒中的电流方向和ab棒的加速度大小;

(2)若棒运动到x=0时立即断开电键K,问ab棒最后静止在何处(用x轴坐标表示)。

(3)求出上述整个过程中R2产生的焦耳热。(备选信息:弹簧振子的周期公式其中m为振子质量,k为弹簧的劲度系数)

【答案】(1)b到a,4m/s2;(2);(3)

【解析】

(1)由题可知,闭合电键瞬间,发现ab棒沿轨道向左运动,即受到了向左的安培力作用,根据左手定则可知,电流的方向b到a

ab与R2并联,则流过ab的电流为

=A

对棒ab,根据牛顿第二定律有

又

B=3x=4.5T

代入得a=4m/s2

(2)对棒ab,从开始到x=0过程,根据动能定理有

其中

,

代入得

设棒ab穿过左侧匀强磁场后的速度为,根据动量定理

代入得

根据速度位移公式有

棒ab最后停在位置

(3)棒ab在O点之前的的安培力为

则受到的合力为

由简谐振动的性质可知棒ab以x=0.5m处为平衡位置作简谐振动,,周期为

T==s,

则有

运动的位移为从平衡位置开始一个振幅加半个振幅的位移,因此时间为

s

整个过程中电阻上产生的热量为

代入数据解得

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