题目内容

9.如图(a)所示,间距为L、电阻不计的光滑导轨固定在倾角为θ的斜面上,在区域Ⅰ内有方向垂直于斜面的匀强磁场,磁感应强度为B,在区域Ⅱ内有垂直于斜面向下的匀强磁场,其磁感应强度Bt的大小随时间t变化的规律如图(b)所示.t=0时刻在轨道上端的金属细棒ab从如图位置由静止开始沿导轨下滑,同时下端的另一金属细棒cd在位于区域Ⅰ内的导轨上由静止释放.在ab棒运动到区域Ⅱ的下边界EF处之前,cd棒始终静止不动,两棒均与导轨接触良好.已知ab棒和cd棒的质量为m、电阻为R,区域Ⅱ沿斜面的长度为2L,在t=tx时刻(tx未知)ab棒恰进入区域Ⅱ,重力加速度为g.求:
(1)当ab棒在区域Ⅱ内运动时cd棒消耗的电功率和热量;
(2)ab棒开始下滑至EF的过程中流过导体棒cd的电量.

分析 (1)对cd棒,根据平衡求出感应电流的大小,根据P=I2R求出当ab棒在区域Ⅱ内运动时cd棒消耗的电功率.ab棒进入磁场Ⅱ内产生的感应电动势等于之前变化磁场产生的感应电动势,由此求ab棒进入磁场的速度,从而求ab棒通过磁场Ⅱ的时间,即可求出热量.
(2)由于通过cd棒的电流不变,由q=It求电量即可.

解答 解:(1)对cd棒,根据平衡条件得:
  F安=BIL=mgsinθ
所以通过cd棒的电流大小为:I=$\frac{mgsinθ}{BL}$
当ab棒在区域Ⅱ内运动时cd棒消耗的电功率为:P=I2R=$\frac{{m}^{2}{g}^{2}Rsi{n}^{2}θ}{{B}^{2}{L}^{2}}$.
ab棒在到达区域Ⅱ前做匀加速直线运动,有:a=$\frac{mgsinθ}{m}$=gsinθ
cd棒始终静止不动,ab棒在到达区域Ⅱ前、后,回路中产生的感应电动势和感应电流保持不变,则ab棒在区域Ⅱ中一定做匀速直线运动.可得:
 $\frac{△Φ}{△t}$=BLvt,即$\frac{B•2L•L}{{t}_{x}}$=BLgsinθ•tx,
得:tx=$\sqrt{\frac{2L}{gsinθ}}$
ab棒在区域Ⅱ中做匀速直线运动的速度为:vt=atx=$\sqrt{2gLsinθ}$
通过磁场Ⅱ的时间为 t2=$\frac{2L}{{v}_{t}}$=$\sqrt{\frac{2L}{gsinθ}}$
故当ab棒在区域Ⅱ内运动时cd棒消耗的热量为 Q=I2Rt2=$\frac{\sqrt{2}{m}^{2}{g}^{\frac{3}{2}}si{n}^{\frac{3}{2}θ}}{{B}^{2}{L}^{\frac{3}{2}}}$
(2)ab棒开始下滑至EF的过程中流过导体棒cd的电量为 q=I(tx+t2)=$\frac{2m}{B}\sqrt{\frac{2gsinθ}{L}}$
答:
(1)当ab棒在区域Ⅱ内运动时cd棒消耗的电功率是$\frac{{m}^{2}{g}^{2}Rsi{n}^{2}θ}{{B}^{2}{L}^{2}}$,热量是$\frac{\sqrt{2}{m}^{2}{g}^{\frac{3}{2}}si{n}^{\frac{3}{2}θ}}{{B}^{2}{L}^{\frac{3}{2}}}$;
(2)ab棒开始下滑至EF的过程中流过导体棒cd的电量是$\frac{2m}{B}\sqrt{\frac{2gsinθ}{L}}$.

点评 解决这类问题的关键是分析两段过程中电流的关系,弄清电路结构,运用平衡条件和电磁感应的基本规律结合处理.

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