题目内容

15.如图甲所示,竖直平面内有两根间距为d的足够长平行导轨,导轨上端接有阻值为R的电阻,质量为m、电阻为r的导体棒夹在两导轨间,导体棒与导轨间的摩擦不计,导轨间存在垂直导轨平面磁感应强度为B的匀强磁场,磁感应强度B的大小随时间变化的规律如图乙所示,在0~t0时间内,作用一外力使导体棒静止,此时导体棒距上端电阻R距离为d,在t0时刻撤去外力.已知重力加速度为g,试求:
(1)t0时刻导体棒中的电流大小和方向;
(2)导体棒运动的最大速度v;
(3)若从静止开始到导体棒达到最大速度,电阻R产生的热量为Q,则这个过程中导体棒下落的高度h.

分析 (1)由法拉第电磁感应定律求解感应电动势,再有欧姆定律求解电流的变化,
(2)最大速度时,加速度应为0,由牛顿第二定律即可求解,
(3)根据能量守恒定律求解即可,

解答 解:(1)0~t0时间内,回路中产生的感应电动势$E=\frac{△φ}{△t}={d^2}\frac{△B}{△t}=\frac{{B{d^2}}}{t_0}$
0~t0时间内,回路中的电流为$I=\frac{E}{R+r}$此阶段电流恒定        
t0时刻之后,导体棒从静止开始下落,速度逐渐增大,而加速度逐渐减小,电动势E=Bdv,而电流i=$i=\frac{E}{R+r}=\frac{Bdv}{R+r}$故电流也随时间变化的规律与速度随时间变化规律类似.
图象如图

故t0时刻电阻中的电流大小为零.
(2)t0时刻之后,当速度增大到使导体棒受到的安培力与重力相等时,速度达到最大$\frac{{{B^2}{d^2}v}}{R+r}=mg$
解得导体棒运动的最大速度 $v=\frac{mg(R+r)}{{{B^2}{d^2}}}$
(3)电阻R产生了Q的热量,则回路产生的热量一共为$\frac{(R+r)Q}{R}$
由能量转化与守恒定律得导体棒下落 时重力势能转化为导体棒的动能和回路中的内能,即
mgh=$\frac{1}{2}m{v^2}+\frac{(R+r)Q}{R}$
解得h=$\frac{v^2}{2g}+\frac{(R+r)Q}{Rmg}$=$\frac{{{m^2}g{{(R+r)}^2}}}{{2{B^4}{d^4}}}+\frac{(R+r)Q}{Rmg}$
答:(1)t0时刻导体棒中的电流大小为零;
(2)导体棒运动的最大速度v为$\frac{mg(R+r)}{{B}^{2}{d}^{2}}$;
(3)若从静止开始到导体棒达到最大速度,电阻R产生的热量为Q,则这个过程中导体棒下落的高度h为$\frac{{{m^2}g{{(R+r)}^2}}}{{2{B^4}{d^4}}}+\frac{(R+r)Q}{Rmg}$.

点评 当杆做匀速运动时速度最大,应用平衡条件、安培力公式、能量守恒定律即可正确解题.杆克服安培力做功转化为焦耳热,可以从能量角度求焦耳热.

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