题目内容

10.如图所示,两根平行金属导轨固定在同一水平面内,间距为d,导轨左端连接一个阻值为R的电阻.一根质量为m、电阻为r的金属杆ab垂直放置在导轨上.在杆的右方距杆为S除有一个匀强磁场,磁场方向垂直于导轨平面向下,磁感应强度为B.对杆施加一个大小为F、方向平行于导轨的恒力,使杆从静止开始运动,经时间t杆恰好到达磁场区域,刚进入磁场时棒仍做加速运动,最终在磁场中做匀速运动.不计导轨的电阻,假定导轨与杆之间存在恒定的阻力.求:
(1)导轨对杆ab的阻力大小f;
(2)通过杆ab电流的方向及棒最终匀速运动的速度.

分析 (1)在磁场区外,根据运动学计算公式求解加速度,由牛顿第二定律可求得f.
(2)根据右手定则判断电流方向,由安培力的大小表达式及共点力的平衡条件求解速度大小.

解答 解:(1)杆进入磁场前做匀加速运动,由牛顿第二定律得F-f=ma----①
由运动学公式得s=$\frac{1}{2}a{t}^{2}$-----②
解得导轨对杆的阻力为f=F-$\frac{2mS}{{t}^{2}}$;
(2)根据右手定则可知,杆中的电流方向自a向b;
匀速运动时,根据共点力的平衡条件可得:F=f+F安,
根据安培力的计算公式可得:F安=BId=$\frac{{B}^{2}{d}^{2}v}{R+r}$,
联立解得:v=$\frac{2mS(R+r)}{{B}^{2}{d}^{2}{t}^{2}}$.
答:(1)导轨对杆ab的阻力大小为F-$\frac{2mS}{{t}^{2}}$;
(2)通过杆ab电流的方向自a向b;棒最终匀速运动的速度为$\frac{2mS(R+r)}{{B}^{2}{d}^{2}{t}^{2}}$.

点评 对于电磁感应问题研究思路常常有两条:一条从力的角度,重点是分析安培力作用下物体的平衡问题;另一条是能量,分析电磁感应现象中的能量如何转化是关键.

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