题目内容

7.如图所示为某一电路的俯视图,将一根金属棒ab垂直放在两水平且足够长的平行金属导轨上,金属棒ab与导轨接触良好且可以无摩擦地左右滑动,电容器两极板间距与导轨间距均为L=0.2m,电容器的两极板间及导轨间均有磁感应强度大小为B=1T、方向竖直向下的匀强磁场,金属棒ab在导轨间部分的电阻R0=2Ω,定值电阻R1=2Ω,电容器的电容C=I0μF,金属棒ab向右做匀速运动,使不计重力的带电粒子以v0=4m/s的初速度水平向右射入电容器两极板间恰好做匀速直线运动.
(1)求此时电容器所带电荷量.
(2)为使金属棒ab保持匀速运动,作用在金属棒ab上的水平外力F做功的功率是多大?

分析 (1)根据带电粒子在复合场中做匀速直线运动,抓住洛伦兹力和电场力平衡求出电容器两端的电势差,根据Q=CU求出电容器所带的电荷量.
(2)根据欧姆定律求出电流以及电动势的大小,结合能量守恒求出水平外力F的功率.

解答 解:(1)不计重力的带电粒子以v0=4m/s的初速度水平向右射入电容器两极板间恰好做匀速直线运动,有:$q{v}_{0}B=q\frac{U}{L}$,
解得电容器两端的电势差为:U=BLv0=1×0.2×4V=0.8V.
此时电容器所带的电荷量为:Q=CU=10×10-6×0.8C=8×10-6C.
(2)通过导体棒的电流为:I=$\frac{U}{{R}_{1}}=\frac{0.8}{2}A=0.4A$,
则感应电动势为:E=I(R0+R1)=0.4×4V=1.6V,
根据能量守恒得,外力F的功率为:P=EI=1.6×0.4W=0.64W.
答:(1)此时电容器所带电荷量为8×10-6C;
(2)作用在金属棒ab上的水平外力F做功的功率是0.64W.

点评 本题通过带电粒子在复合场中处于平衡状态得出电容器两端的电势差是解决本题的关键,对于第二问,也可以根据电动势的大小求出导体棒的速度,抓住拉力和安培力相等求出水平外力,结合P=Fv求出外力F的功率.

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