题目内容

8.如图所示,两根足够长的平行金属导轨MN、PQ,导轨平面与水平面的夹角为α=30°,导轨光滑且电阻不计,导轨处在垂直导轨平面向上的有界匀强磁场中.两根电阻都为R=2Ω、质量都为m=0.2kg的完全相同的金属棒ab和cd垂直于MN、PQ并排靠紧放置在导轨上端,与磁场上边界的距离为s=1.6m,有界匀强磁场的宽度为3s=4.8m.先将金属棒ab由静止释放,金属棒进入磁场时恰好做匀速运动,此时立即由静止释放金属棒cd,金属棒cd在出磁场前已做匀速运动.两金属棒在下滑过程中与导轨始终接触良好,不计金属棒的粗细.求:
(1)金属棒ab进入磁场时的速度v和电流I
(2)金属棒ab通过磁场过程的时间t
(3)两根金属棒全部通过磁场过程中回路产生的焦耳热Q
(4)金属棒cd在磁场中的运动过程中通过回路横截面积的电量q.

分析 (1)对导体棒进入磁场前过程运用动能定理列式求解,得到进入磁场的速度;然后根据平衡条件、安培力公式、切割公式、欧姆定律列式求解;
(2)金属棒cd加速下滑过程,ab棒匀速运动,cd棒刚进入磁场时,两根棒速度相同,故无感应电流,不受安培力,一起加速;ab棒出磁场后,cd棒先减速后匀速,也可能一直减速;明确运动过程,根据动力学公式即可求得总时间;
(3)根据q分第一根导体棒穿过磁场和第二个根导体棒穿过磁场过程(两个导体棒都在磁场中时,两个棒的速度相同,无感应电流,无电热)进行讨论,第二根离开磁场过程根据动能定理列式求解.
(4)明确导体棒运动中线圈中磁通量变化,再根据法拉第电磁感应定律求解求均电动势,从而求出电量q.

解答 解:(1)由动能定理,得到:mgxsinα=$\frac{1}{2}$mv12,
解得:v1═4m/s
此后棒匀速下滑,根据切割公式,有:E=BLv1
根据欧姆定律,有:E=I×2R
根据安培力公式,有:F=BIL
根据平衡条件,有:mgsinα=BIL
联立得到:mgsinα=$\frac{{B}^{2}{L}^{2}{v}_{1}}{2R}$
解得:BL=1T•m 
又由于BIL=mgsinα,
解得:I=1A;
(2)金属棒ab进入磁场时以速度v先做匀速运动,设经过时间t1,当金属棒cd也进入磁场,速度也为v,由金属棒cd运动得:
t1=$\frac{s}{\frac{v}{2}}$=$\frac{2s}{v}$=$\frac{2s}{\sqrt{2gsinαs}}$
解得:t1=0.8s;
此时金属棒ab在磁场中的运动距离为:x=vt1=2s
当两金属棒都进入磁场时,金属棒ab做匀加速运动时间为t2,运动的距离为3s-2s=s
由速度公式可得:s=vt2+$\frac{1}{2}$gsinαt22
解得:t2=$\frac{\sqrt{16gsinαs}-\sqrt{8gsinαs}}{2gsinα}$=$\frac{(2\sqrt{2}-2)s}{\sqrt{2gsinαs}}$=0.8($\sqrt{2}$-1)s
总时间为:t=t1+t2=0.8($\sqrt{2}$-1)+0.8=0.8$\sqrt{2}$s;
(3)金属棒ab在磁场中(金属棒cd在磁场外)回路产生的焦耳热为:
Q1=mgsinα×2s=3.2J 
金属棒ab、金属棒cd都在磁场中运动时,回路不产生焦耳热.两棒加速度均为gsinα,ab离开磁场时速度为v2,v22-v12=2gxsinα,
解得:v2=$\sqrt{4gssinα}$=4$\sqrt{2}$m/s
金属棒cd在磁场中(金属棒ab在磁场外),金属棒cd的初速度为v2=4$\sqrt{2}$m/s,末速度为$\sqrt{2gssinα}$=4m/s,由动能定理可得:
mgsinα×2s-Q2=$\frac{1}{2}$m($\sqrt{2gssinα}$)2-$\frac{1}{2}$m($\sqrt{4gssinα}$)2
Q2=mgsinα×3s=4.8J
故总的焦耳热为:Q=Q1+Q2=mgsinα×5x=8J
(4)设经过时间t1,金属棒cd也进入磁场,其速度也为v1,金属棒cd在磁场外有x=$\frac{1}{2}$v1•t1,此时金属棒ab在磁场中的运动距离为:X=v1t1=2x,
两棒都在磁场中时速度相同,无电流,金属棒cd在磁场中而金属棒ab已在磁场外时,cd棒中才有电流,cd棒加速运动的位移为2x;
电量为q=$\frac{△Φ}{2R}$=$\frac{BL2s}{2R}$=$\frac{BLs}{R}$=$\sqrt{\frac{ms\sqrt{2gsinαs}}{R}}$
解得:q=0.8C.
答:(1)金属棒ab进入磁场时的速度v和电流I分别为4m/s和1A;
(2)金属棒ab通过磁场过程的时间t为0.8$\sqrt{2}$s
(3)两根金属棒全部通过磁场过程中回路产生的焦耳热Q为8J
(4)金属棒cd在磁场中的运动过程中通过回路横截面积的电量q为0.8C.

点评 本题考查电磁感应与功能关系和动力学相结合的分析问题;关键是明确两个棒的运动过程,然后运用运动学公式、动能定理、法拉第电磁感应定律等列式求解.

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