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精英家教网如图所示,长度都为L的两金属棒C、D两端分别连接两根轻质的细软导线,悬挂在水平固定光滑绝缘的圆柱体两侧,空间存在两个边界水平、上下高度都为d的两个匀强磁场区域Ⅰ和Ⅱ,磁场方向与金属棒及其两端的竖直导线所确定的平面垂直,磁感应强度均为B,C的质量为2m,D的质量为m,C、D的电阻都为R,导线电阻不计,让两金属棒从静止(软导线棚紧)开始释放,经过一段时间,C刚进入Ⅰ区磁场,而D尚未进入Ⅱ区磁场,从此时开始直到D离开Ⅰ区磁场,C、D都做匀速直线运动.求:
(1)C进入磁场之前,每根导线中的张力T
(2)释放的位置,C离Ⅰ区磁场上边缘的距离h
(3)全过程中产生的焦耳热Q
(4)全过程中动过导线截面的电量q.
分析:(1)分别选取金属棒C、D为研究的对象,对它们减小受力分析,结合牛顿第二定律即可求出拉力;
(2)C进入磁场中后,选取C为研究的对象进行受力分析,求出安培力,根据法拉第电磁感应定律、闭合电路的欧姆定律和安培力的公式,求出C进入磁场时的速度,最后使用动能定律求出C下落的高度;
(3)全过程中减小的重力势能全部转化为焦耳热;
(4)根据Q=I△t求出电量.
解答:解:(1)选取金属棒C、D为研究的对象,对它们减小受力分析对C:2mg-2T=2ma…①
对D:2T-mg=ma…②
由①②解得:T=
2
3
mg
…③
a=
1
3
g
…④
(2)磁场中速度为v,则回路中电动势:E=BLv…⑤
回路中电流:I=
E
2R
…⑥
C棒所受安培力:F=BIL…⑦
C进入磁场前的过程2ah=v2…⑧
C在磁场中且D尚未进入磁场时,由于都匀速运动,则:2mg=mg+F…⑨
联立④⑤⑥⑦⑧⑨解得:h=
6m2gR2
B4L4
…⑩
(3)由题意得,两磁场的间隔大小也为d,全过程中减小的重力势能全部转化为焦耳热
由能量转化与守恒定律得:Q=mg(4d+h)=4mgd+
6m3g2R2
B4L4

(4)全过程中动过导线截面的电量:Q=It=
E
2R
?
4d
v
=
BLv
2R
?
4d
v
=
2BLd
R

答:(1)C进入磁场之前,每根导线中的张力T=
2
3
mg
;
(2)释放的位置,C离Ⅰ区磁场上边缘的距离h=
6m2gR2
B4L4
;
(3)全过程中产生的焦耳热Q=4mgd+
6m3g2R2
B4L4
;
(4)全过程中动过导线截面的电量Q=
2BLd
R
.
点评:该题考查电磁感应定律的综合应用,涉及到电磁感应定律、牛顿运动定律、闭合电路的欧姆定律以及能量的转化与守恒.要求考生具备较强的综合能力.
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