题目内容
4.(1)线圈第一次下落过程中的最大速度vm;
(2)线圈从第一次到第二次与水平面相碰的过程中产生的焦耳热Q.
分析 (1)线圈下落过程中垂直切割磁感线,产生感应电动势,由E=BLv、I=$\frac{E}{r}$、FA=BIL得到安培力的表达式,由牛顿第二定律分析线圈加速度的变化,判断线圈的运动情况:安培力逐渐增大,加速度逐渐减小,当安培力与重力平衡时,线圈做匀速直线运动,速度达到最大,由平衡条件可求出最大速度.
(2)根据牛顿第二定律和安培力表达式得到加速度与瞬时速度的关系式,求出一段微小时间△t内,线圈上升高度△h,由积分法求出线圈上升的最大高度.再采用积分法求出线圈第二次下降到水平面时的速度,由能量守恒定律可求出焦耳热Q.
解答 解:(1)线圈第一次下落过程中有:感应电动势为:E=B•2πRv
感应电流大小为:I=$\frac{E}{r}$,
那么安培力为:FA=BIL=BI•2πR,
联合解得安培力大小为:FA=$\frac{4{π}^{2}{B}^{2}{R}^{2}v}{r}$
据牛顿第二定律得:mg-FA=ma
可知线圈做加速度减小的加速运动,当a=0时,速度最大,代入求得最大速度为:υm=$\frac{mgr}{4{π}^{2}{B}^{2}{R}^{2}}$
(2)反弹后上升的过程中某一时刻,由牛顿运动定律得:mg+B$\frac{2πRBv}{r}$×2πR=ma
在一段微小时间△t内,速度增量为:△υ=a△t,线圈上升高度为:△h=υ△t
则线圈可上升的最大高度h为:h=∑△h=$\frac{∑(ma-mg)△t}{4{π}^{2}{R}^{2}{B}^{2}}$r=$\frac{{m}^{2}g{r}^{2}}{16{π}^{4}{B}^{4}{R}^{4}}$-$\frac{mgr{t}_{1}}{4{π}^{2}{B}^{2}{R}^{2}}$
线圈到达最高点后,下落过程中的某一时刻,由牛顿运动定律得:mg-B$\frac{2πBRv}{r}$×2πR=ma
在一段微小时间△t内,速度增量为:△υ=a△t,线圈下降高度为:△h=υ△t
则线圈第二次下降到水平面时的速度为:υ=∑△υ=$\frac{1}{m}$∑(mg-$\frac{4{π}^{2}{B}^{2}{R}^{2}}{r}$)△t=g(t1+t2)-$\frac{mgr}{4{π}^{2}{B}^{2}{R}^{2}}$
本过程中线圈中产生的热量为线圈动能的损失:
Q=$\frac{1}{2}$mυm2-$\frac{1}{2}$mυ2=$\frac{1}{2}$m($\frac{mgr}{4{π}^{2}{B}^{2}{R}^{2}}$)2-$\frac{1}{2}$m(g(t1+t2)-$\frac{mgr}{4{π}^{2}{B}^{2}{R}^{2}}$)2;
化简得:Q=$\frac{{m}^{2}{g}^{2}r}{4{π}^{2}{B}^{2}{R}^{2}}$(t1+t2)-$\frac{1}{2}$mg2(t1+t2)2;
答:(1)线圈第一次下落过程中的最大速度υm为$\frac{mgr}{4{π}^{2}{B}^{2}{R}^{2}}$.
(2)线圈从第一次到第二次与水平面相碰的过程中产生的焦耳热$\frac{{m}^{2}{g}^{2}r}{4{π}^{2}{B}^{2}{R}^{2}}$(t1+t2)-$\frac{1}{2}$mg2(t1+t2)2.
点评 本题是电磁感应问题,难点是采用积分法求解非匀变速运动的速度和高度,从牛顿第二定律入手,采取微元法,得到一段微小时间△t内速度的变化量和高度变化量,再积分.难度较大,考查运用数学知识处理物理问题的能力.
| A. | 保持P的位置及U1不变,S由b切换到a,则R上消耗的功率减小 | |
| B. | 保持P的位置及U1不变,S由a切换到b,则I2减小 | |
| C. | 保持P的位置及U1不变,S由b切换到a,则I1增大 | |
| D. | 保持U1不变,S接在b端,将P向上滑动,则I1减小 |
| A. | v的最小值为$\sqrt{gR}$ | |
| B. | v由零逐渐增大,向心力也逐渐增大 | |
| C. | v由零逐渐增大,杆对小球的弹力也逐渐增大 | |
| D. | 当v由$\sqrt{gR}$值逐渐减小时,杆对小球的弹力也逐渐减小 |
| A. | A>A0 T>T0 | B. | A>A0 T=T0 | C. | A<A0 T<T0 | D. | A>A0 T<T0 |