题目内容

15.如图所示,MN、PQ为间距L=0.5m足够长的平行导轨,NQ⊥MN,导轨平面下水平面间的夹角θ=37°,NQ间连接有一个R=5Ω的电阻,有一匀强磁场垂直于导轨平面,磁感强度为B0=1T.将一根质量为m=0.05kg的金属棒ab紧靠NQ放置在导轨上,且与导轨接触良好,导轨与金属棒的电阻均不计.现由静止释放金属棒,金属棒沿导轨向下运动过程中始终与NQ平行.已知金属棒与导轨间的动摩擦因数μ=0.5,当金属棒滑行至cd处时已经达到稳定速度,cd距离NQ为s=1m.试解答以下问题:(g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8)
(1)当金属棒滑行至cd处时回路中的电流多大?
(2)金属棒达到的稳定速度是多大?
(3)若将金属棒滑行至cd处的时刻记作t=0,从此时刻起,让磁感强度逐渐减小,可使金属棒中不产生感应电流,则t=1s时磁感应强度应为多大?

分析 (1)根据棒切割磁感线,产生感应电流,出现安培阻力,因速度影响安培力,导致加速度变化,速度也变化.当棒达到稳定速度时,根据受力平衡与安培力大小表达式,即可求解;
(2)根据法拉第电磁感应定律,闭合电路欧姆定律相结合,从而即可求解;
(3)根据磁通量不变,不产生感应电流,则棒做匀加速运动,由牛顿第二定律和磁通量公式,即可求解.

解答 解:(1)在达到稳定速度前,金属棒的加速度逐渐减小,速度逐渐增大.
达到稳定速度时,有FA=B0IL,mgsinθ=FA+μmgcosθ
则得$I=\frac{mg(sin37°-μcos37°)}{{B}_{0}L}$=$\frac{0.05×10×(0.6-0.5×0.8)}{1×0.5}A$=0.2A;
(2)根据E=B0Lv、$I=\frac{E}{R}$得:
$v=\frac{IR}{{B}_{0}L}$=$\frac{0.2×5}{1×0.5}m/s$=2m/s;
(3)当回路中的总磁通量不变时,金属棒中不产生感应电流.此时金属棒将沿导轨做匀加速运动.
mgsinθ-μmgcosθ=ma
a=g(sinθ-μcosθ)=10×(0.6-0.5×0.8)m/s2=2m/s2.
设t时刻磁感应强度为B,则:B=$\frac{1}{{t}^{2}+2t+1}T$
故t=1s时磁感应强度B=$\frac{1}{1+2×1+1}T$=0.25T.
答:(1)当金属棒滑行至cd处时回路中的电流是0.2A.
(2)金属棒达到的稳定速度是2m/s.
(3)若将金属棒滑行至cd处的时刻记作t=0,从此时刻起,让磁感强度逐渐减小,可使金属棒中不产生感应电流,则t=1s时磁感应强度应为0.25T.

点评 考查棒在磁场中切割,速度影响安培力,导致加速度变化,这是本题解题的亮点,同时还考查了法拉第电磁感应定律、闭合电路欧姆定律、牛顿第二定律等规律的应用,并运用不产生感应电流的条件

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