题目内容

(2009?广东模拟)如图所示,在水平面上有两条光滑的长直平行金属导轨MN、PQ,导轨间距离为L,导轨的电阻忽略不计,磁感应强度为B的匀强磁场垂直于导轨所在平面.质量分别为ma、mb的两根金属杆a、b跨搁在导轨上,接入电路的电阻均为R.轻质弹簧的左端与b杆连接,右端被固定.开始时a杆以初速度v0向静止的b杆运动,当a杆向右的速度为v时,b杆向右的速度达到最大值vm,此过程中a杆产生的焦耳热为Q,两杆始终垂直于导轨并与导轨良好接触.求当b杆达到最 大速度vm时,
(1)b杆受到弹簧的弹力
(2)弹簧具有的弹性势能.
分析:(1)b杆达到最大速度时,弹簧的弹力等于安培力,根据安培力大小公式与闭合电路欧姆定律及法拉第电磁感应定律,推导出安培力表达式FA=
B2L2(v-vm)
2R
即可求解.
(2)选取系统为研究对象,确定从开始到b杆最大速度作为过程,由动能定理,结合产生焦耳热即为安培力做功的值,来确定弹簧的弹性势能.
解答:解:(1)设某时刻a、b杆速度分别为v和vm,由法拉第电磁感应定律,回路中的感应电动势E=BL(v-vm)
回路中的电流    I=
E
2R
     
B杆受到的安培力Fb=BIL
当b杆的速度达到最大值vm时,b杆的加速度为0,设此时b杆受到的弹簧弹力为T,由牛顿第二定律得   T=Fb
联立以上各式解得    T=
B2L2(v-vm)
2R

(2)以a、b杆和弹簧为研究对象,设弹簧弹性势能为Ep,由能量转化与守恒定律
 
1
2
ma
v
2
0
=
1
2
mav2
+
1
2
mb
v
2
m
+2Q+Ep
故  Ep=
1
2
ma
v
2
0
-
1
2
mav2
-
1
2
mb
v
2
m
-2Q
答:
(1)b杆受到弹簧的弹力是
B2L2(v-vm)
2R
.
(2)弹簧具有的弹性势能为
1
2
ma
v
2
0
-
1
2
mav2
-
1
2
mb
v
2
m
-2Q.
点评:由于两杆同时同向运动,所以切割的速度即为相对速度.同时考查闭合电路欧姆定律、法拉第电磁感应定律、动能定理及安培力大小公式,并注意安培力做功与产生焦耳热的关系,及弹力做功与弹簧的弹性势能的关系.
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