题目内容
如图所示,两根不计电阻的金属导线MN与PQ放在水平面内,MN是直导线,PQ的PQ1段是直导线,Q1Q2段是弧形导线,Q2Q段是直导线,MN、PQ1、Q2Q相互平行,M、P间接入一个阻值R=0.25W的电阻,一根质量为1.0 kg且不计电阻的金属棒AB能在MN、PQ上无摩擦地滑动,金属棒始终垂直于MN,整个装置处于磁感应强度B=0.5T的匀强磁场中,磁场方向竖直向下,金属棒处于位置(I)时,给金属棒一个向右的速度v1=4 m/s,同时方向水平向右的外力F1=3 N作用在金属棒上使金属棒向右做匀减速直线运动,当金属棒运动到位置(II)时,外力方向不变,大小变为F2,金属棒向右做匀速直线运动,再经过时间t=2 s到达位置(III)。金属棒在位置(I)时,与MN、Q1Q2接触于a、b两点,a、b的间距L1=1 m,金属棒在位置(II)时,棒与MN、Q1Q2接触于c、d两点,已知位置(I)、(II)间距为s1=7.5 m,求:
(1)金属棒从位置(I)运动到位置(II)的过程中,加速度的大小;
(2)c、d两点间的距离L2;
(3)外力F2的大小;
(4)金属棒从位置(II)运动到位置(Ⅲ)的过程中产生的热量Q
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(1)由牛顿第二定律F合=ma 可知
-F1=ma,a=1 m/s2,(6分)
(2)由匀加速直线运动的位移公式知:v12-v22=2as1,解得v2=1 m/s,由于金属棒做匀减速直线运动,所以所受的外力为恒力,即前后所受的安培力相等。F1=F2 L12v1=L22v2,L2=2 m,(4分)
(3)由于金属棒做匀速直线运动所以合力为零,有F2=F安,F2=
=4 N,(4分)
(4)由功能关系可知外力F2所作的功全部转化成热量:Q=
s1=30 J,(4分)