题目内容

【题目】如图所示,在倾角θ=30°的斜面上固定两根足够长的光滑平行金属导轨PQ、MN,相距为L,导轨处于磁感应强度为B的匀强磁场中,磁场方向垂直导轨平面向下。两根质量均为m的金属棒a、b分别垂直放置在导轨上EF、GH位置,其中a 棒用平行于导轨的细线跨过光滑定滑轮与重物c 连接。已知EF上方导轨的电阻与到EF的距离x有关,EF下方的导轨没有电阻。现在由静止释放a、b、c,a、c一起以加速度做匀加速运动,b棒刚好仍静止在导轨上。a棒在运动过程中始终与导轨垂直,a、b棒电阻不计,与导轨电接触良好。

(1)求重物c的质量;

(2)求EF上方每根导轨的电阻与到EF的距离x之间的关系;

(3)某时刻t,与a棒连接的细线突然被拉断,求细线被拉断的瞬间a 棒的加速度大小;

(4)在第(3)问中,假设细线被拉断的瞬间,a、b棒的重力突然消失。求从释放a、b、c 到a、b棒的速度稳定过程中,a棒克服安培力做的功。

【答案】(1)3m(2)r=(3)g(4)mg2t2

【解析】

(1)设重物c 的质量为M.对a棒,由牛顿定律得

T﹣mgsinθ﹣BIL=ma ①

对重物c,由牛顿定律得

Mg﹣T=Ma ②

对b棒,由平衡条件得

BIL=mgsinθ ③

由①②③式解得

M=3m;

(2)对a、b棒构成的回路,由闭合电路欧姆定律得

BLat=2rI ④

对a棒由运动学公式得

⑤

由 ③、④、⑤式解得

(3)细线被拉断的瞬间,a 棒受安培力不变,对a 棒由牛顿定律得

ma′=mgsinθ+BIL ⑥

由③、⑥式解得:

a′=g;

(4)细线被拉断后,在安培力作用下,b棒向上做加速运动,a棒向上做减速运动,a棒和b棒上的电流大小总是相等,安培力大小总是相等,加速度大小总是相等,所以相等时间内速度变化量大小相等,直至a、b棒构成回路的磁通量不变化,即a、b棒构成回路的面积不变化,即二者以共同速度做匀速直线运动为止.共同速度满足

v同=vb=△v

且

v同=va=at﹣△v ⑦

解得

⑧

从释放a、b、c 到细线刚被拉断的过程中,a 棒克服安培力做的功:

⑨

从细线刚被拉断到a、b 棒的速度稳定(即二者以共同速度匀速直线运动)的过程中,对a 棒由动能定理可得a 棒克服安培力做的功

⑩

由 ③、⑧、⑨、⑩式解得

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