题目内容

10.如图所示,MN、PQ两平行光滑水平导轨分别与半径r=0.5m的相同竖直半圆导轨在N、Q端平滑连接,M、P端连接定值电阻R,质量M=2kg的cd绝缘杆垂直静止在水平导轨上,在其右侧至N、Q端的区域内充满竖直向上的匀强磁场.现有质量m=1kg的ab金属杆以初速度v0=12m/s水平向右与cd绝缘杆发生正碰后,进入磁场并最终未滑出,cd绝缘杆则恰好能通过半圆导轨最高点,不计其它电阻和摩擦,ab金属杆始终与导轨垂直且接触良好,取g=10m/s2,求:
(1)cd绝缘杆通过半圆导轨最高点时的速度大小v;
(2)电阻R产生的焦耳热Q.

分析 (1)cd杆恰好通过半圆轨道的最高点,在最高点,重力提供向心力,由牛顿第二定律可以求出速度.
(2)两杆碰撞过程动量守恒,由动量守恒定律求出碰撞后ab杆的速度,然后由能量守恒定律可以求出电阻产生的焦耳热.

解答 解:(1)cd绝缘杆通过半圆导轨最高点时,由牛顿第二定律有:Mg=M$\frac{{v}^{2}}{r}$
解得:v=$\sqrt{gr}$=$\sqrt{5}$m/s
(2)碰撞后cd绝缘杆滑至最高点的过程中,由动能定理有:
-Mg•2r=$\frac{1}{2}M{v}^{2}-\frac{1}{2}M{v}_{2}^{2}$
解得碰撞后cd绝缘杆的速度:v2=5m/s
两杆碰撞过程,动量守恒,取向右为正方向,则有:mv0=mv1+Mv2
解得碰撞后ab金属杆的速度:v1=2m/s
ab金属杆进入磁场后,由能量守恒定律有:$\frac{1}{2}m{v}_{1}^{2}$=Q
解得:Q=2J
答:
(1)cd绝缘杆通过半圆导轨最高点时的速度大小v是$\sqrt{5}$m/s;
(2)电阻R产生的焦耳热Q是2J.

点评 本题考查了求速度、焦耳热问题,应用牛顿第二定律、机械能守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律即可正确解题;分析清楚运动过程是正确解题的前提与关键.

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