题目内容
5.如图,足够长平行金属导轨内有垂直纸面向里的匀强磁场,金属杆ab与导轨垂直且接触良好,导轨右端通过电阻与平行金属板AB连接.已知导轨相距为L;磁场磁感应强度为B;R1、R2和ab杆的电阻值均为r,其余电阻不计;板间距为d、板长为4d;重力加速度为g,不计空气阻力.如果ab杆以某一速度向左匀速运动时,沿两板中心线水平射入质量为m、带电量为+q的微粒恰能沿两板中心线射出;如果ab杆以同样大小的速度向右匀速运动时,该微粒将射到B板距左端为d的C处.
(1)求ab杆匀速运动的速度大小v;
(2)求微粒水平射入两板时的速度大小v0;
(3)如果以v0沿中心线射入的上述微粒能够从两板间射出,试讨论ab杆向左匀速运动的速度范围.
分析 (1)ab杆以某一速度向左匀速运动时,沿两板中心线水平射入质量为m、带电量为+q的微粒恰能沿两板中心线射出,此时电场力与重力平衡,可得电场强度数值,进而求得两板间电压,并进而求得感应电动势和棒的速度
(2)ab杆以同样大小的速度向右匀速运动时,粒子将做类平抛运动,由于该微粒将射到B板距左端为d的C处,可求粒子的运动初速度
(3)ab杆向左匀速运动时,电场力与重力方向相反,粒子做类平抛运动,要想使粒子射出电场水平位移应为L,同时竖直位移应该不小于$\frac{d}{2}$,棒速度较小则向下偏,较大则向上偏,讨论速度的范围.
解答 解:(1)设ab杆的速度为v,则ab杆产生的电动势为:ε=BLv…①
两板间的电压为:${U_0}=\frac{1}{3}ε=\frac{BLv}{3}$…②
ab杆向左运动时:$\frac{{q{U_0}}}{d}=mg$…③
①②③得:$v=\frac{3mgd}{qBL}$…④
(2)ab杆向右运动时,设带电微粒射入两极板时的速度为v0,向下运动的加速度为a,
经时间t射到C点,有:$\frac{{q{U_0}}}{d}+mg=ma$…⑤
微粒做类平抛运动有:$d=v_0^{\;}t$…⑥$\frac{d}{2}=\frac{1}{2}a{t^2}$…⑦
由③⑤⑥⑦得:${v_0}=\sqrt{2gd}$…⑧
(3)要使带电微粒能从两板射出,设它在竖直方向运动的加速度为a1、时间为t1,
应有:$\frac{d}{2}>\frac{1}{2}{a_1}t_1^2$…⑨${t_1}=\frac{4d}{v_0}$…⑩由⑧⑨⑩得:${a_1}<\frac{g}{8}$…⑪
(i)若a1的方向向上,设ab杆运动速度为v1,
两板电压为:U1=$\frac{1}{3}BL{v_1}$…⑫又有:$\frac{{q{U_1}}}{d}-mg=m{a_1}$…⑬
⑪⑫⑬得:${v_1}<\frac{27mgd}{8qBL}$…⑭
(ii)若a1的方向向下,设ab杆运动速度为v2,
两板电压为:U2=$\frac{1}{3}BL{v_2}$…⑮又有:$mg-\frac{{q{U_2}}}{d}=m{a_1}$…⑯
⑪⑮⑯得:${v_2}>\frac{21mgd}{8qBL}$…⑰
所以:ab杆向左匀速运动时速度的大小范围为:$\frac{21mgd}{8qBL}<v<\frac{27mgd}{8qBL}$…⑱;
答:(1)ab杆匀速运动的速度大小v是$\frac{3mgd}{qBL}$;
(2)求微粒水平射入两板时的速度大小v0为$\sqrt{2gd}$;
(3)如果以v0沿中心线射入的上述微粒能够从两板间射出,ab杆向左匀速运动的速度范围:$\frac{21mgd}{8qBL}<v<\frac{27mgd}{8qBL}$.
点评 电磁感应问题结合闭合电路欧姆定律,涉及带电粒子在匀强电场中的类平抛运动,运算量较大,有一定难度.
多用电表(仅可使用欧姆档)
电池组(电动势为3V,内阻约1Ω)
电流表(内阻约0.1Ω)
电压表(内阻约3kΩ)
滑动变阻器R(0~20Ω,额定电流2A)、开关、导线若干.
(1)先用多用电表的欧姆档粗测未知电阻,采用“×10”档,调零后测量该电阻,发现指针偏转非常大(即很靠近0欧刻度端),下列判断和做法正确的是0.228(填字母代号).
A.这个电阻阻值很小,估计只有几欧姆
B.这个电阻阻值很大,估计有几千欧姆
C.如需进一步测量可换“×1”档,调零后测量
D.如需进一步测量可换“×1k”档,调零后测量
(2)某小组同学用伏安法测该电阻Rx,利用以上器材正确连接好电路,进行实验测量,记录数据如表:
| 次数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| U/V | 0.10 | 0.30 | 0.70 | 1.00 | 1.50 | 1.70 | 2.30 |
| I/A | 0.020 | 0.060 | 0.160 | 0.220 | 0.340 | 0.460 | 0.520 |
(3)如图2是测量Rx的实验器材实物图,图中已连接了部分导线,滑动变阻器的滑片P置于变阻器的一端.请根据(2)中所选电路图,补充完成图2中实物间的连线,并使闭合开关的瞬间,电压表或电流表不至于被烧坏.
(4)这个小组的同学在如图3所示的坐标纸上建立U、V坐标系,图中已标出了测量数据对应的7个坐标点.请在图中描绘出U-I图线.由图线得到金属丝的阻值Rx=4.5Ω(保留两位有效数字).
| A. | 线框穿出磁场过程中,一定先做减速运动 | |
| B. | 线框完全处于磁场中的运动阶段,F做的功大于线框动能的增加量 | |
| C. | 线框进入磁场过程,F做的功大于线框内增加的内能 | |
| D. | 线框穿出磁场过程中,F做的功等于线框中产生的焦耳热 |
| A. | 体积减小,内能增大 | B. | 体积减小,压强减小 | ||
| C. | 对外界做负功,内能增大 | D. | 对外界做正功,压强减小 |
| A. | 若仅增大h,两个峰值间的时间间隔会增大 | |
| B. | 若仅减小h,两个峰值都会减小 | |
| C. | 若仅减小h,两个峰值可能会相等 | |
| D. | 若仅增大滑动变阻器的阻值,两个峰值都会增大 |
| A. | B的向心力是A的向心力的2倍 | |
| B. | 盘对B的摩擦力等于对B对A的摩擦力 | |
| C. | A有沿半径向外滑动的趋势,B有沿半径向内滑动的趋势 | |
| D. | 若B先滑动,则A、B之间的动摩擦因数μA大于B与盘之间的动摩擦因数μB |