题目内容

14.如图所示,间距为L、电阻为零的U形金属竖直轨道,固定放置在磁感应强度为B的匀强磁场中,磁场方向垂直纸面里.竖直轨道上部套有一金属条bc,bc的电阻为R,质量为2m,可以在轨道上无摩擦滑动,开始时被卡环卡在竖直轨道上处于静止状态.在bc的正上方高H处,自由落下一质量为m的绝缘物体,物体落到金属条上之前的瞬问,卡环立即释改,两者一起继续下落.设金属条与导轨的摩擦和接触电阻均忽略不计,竖直轨道足够长.求:
(1)金属条开始下落时的加速度;
(2)金属条在加速过程中,速度达到v1时,bc对物体m的支持力;
(3)金属条下落h时,恰好开始做匀速运动,求在这一过程中感应电流产生的热量.

分析 (1)根据自由落体运动的速度位移公式求出物体与金属条碰撞前的速度,根据动量守恒定律求出碰后整体的速度,结合安培力、切割磁感线产生的感应电动势公式以及闭合电路欧姆定律,运用牛顿第二定律求出金属条开始下落时的加速度;
(2)求出金属条的加速度,然后由牛顿第二定律求出bc对m的支持力.
(2)根据重力与安培力相等,求出匀速运动的速度,结合能量守恒定律求出金属条开始下落到恰好开始做匀速运动的过程中感应电流产生的热量.

解答 解:(1)物块m自由下落,做自由落体运动,由速度位移公式得:v02=2gH,
解得,与金属条碰撞的速度为:v0=$\sqrt{2gH}$,
设物体m落到金属条2m上,金属条立即与物体有相同的速度v开始下落,由m和2m组成的系统相碰过程动量守恒,以向下为正方向,由动量守恒定律得:
mv0=(m+2m)v,
解得:v=$\frac{1}{3}$$\sqrt{2gH}$,
金属条以速度v向下滑动,切割磁感线,产生感应电动势,在闭合电路中有感应电流为:
I=$\frac{BLv}{R}$=$\frac{BL\sqrt{2gH}}{3R}$,
则金属条所受安培力为:
F=BIL=$\frac{{B}^{2}{L}^{2}\sqrt{2gH}}{3R}$,
对于,金属条和物体组成的整体,由牛顿第二定律可得:
(m+2m)g-F=(m+2m)a,
则金属条开始运动时的加速度为:
a=g-$\frac{{B}^{2}{L}^{2}\sqrt{2gH}}{9mR}$;
(2)当金属条和物体的速度达到v1时,加速度设为a′,同理可得加速度为:
a′=g-$\frac{{B}^{2}{L}^{2}{v}_{1}}{3mR}$,
对物体m来说,它受重力mg和支持力N,则有:
mg-N=ma′=m(g-$\frac{{B}^{2}{L}^{2}{v}_{1}}{3mR}$),
解得:N=$\frac{{B}^{2}{L}^{2}{v}_{1}}{3R}$;
(3)金属条和物体一起下滑过程中受安培力和重力,随速度变化,
安培力也变化,做变加速度运动,最终所受重力和安培力相等,
加速度也为零,物体将以速度vm做匀速运动,
则有:3mg-F′=0,F′=$\frac{{B}^{2}{L}^{2}{v}_{m}}{R}$,
金属条的最终速度为:vm=$\frac{3mgR}{{B}^{2}{L}^{2}}$,
下落h的过程中,设金属条克服安培力做功为WA,由动能定理得:
3mgh-WA=$\frac{1}{2}$×3mvm2-$\frac{1}{2}$×3mv2,
感应电流产生的热量Q=WA,
解得:Q=3mgh+$\frac{1}{3}$mgH-$\frac{27{m}^{2}{g}^{2}{R}^{2}}{2{B}^{4}{L}^{4}}$;
答:(1)金属条开始下落时的加速度为g-$\frac{{B}^{2}{L}^{2}\sqrt{2gH}}{9mR}$;
(2)金属条在加速过程中,速度达到v1时,bc对物体m的支持力为$\frac{{B}^{2}{L}^{2}{v}_{1}}{3R}$;
(3)金属条下落h时,恰好开始做匀速运动,在这一过程中感应电流产生的热量为3mgh+$\frac{1}{3}$mgH-$\frac{27{m}^{2}{g}^{2}{R}^{2}}{2{B}^{4}{L}^{4}}$.

点评 本题考查了动量守恒定律的应用,绝缘物体与金属条碰撞过程中,内力远大于外力,且时间很短,可以应用动量守恒定律解题,要知道动量守恒定律所能解决的三类问题;分析清楚金属条的运动过程、应用安培力公式、配合个条件、能量守恒定律即可正确解题.

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