题目内容
【题目】(18分)如图所示,一对光滑的平行金属导轨固定在同一水平面内,导轨间距l = 0.5m,左端接有阻值R = 0.3Ω的电阻。一质量m = 0.1kg,电阻r = 0.1Ω的金属棒MN放置在导轨上,整个装置置于竖直向上的匀强磁场中,磁场的磁感应强度B = 0.4T。棒在水平向右的外力作用下,由静止开始以a = 2m/s2的加速度做匀加速运动,当棒的位移x = 9m时撤去外力,棒继续运动一段距离后停下来,已知撤去外力前后回路中产生的焦耳热之比Q1:Q2 = 2:1。导轨足够长且电阻不计,棒在运动过程中始终与导轨垂直且两端与导轨保持良好接触。求
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(1)棒在匀加速运动过程中,通过电阻R的电荷量q;
(2)撤去外力后回路中产生的焦耳热Q2;
(3)外力做的功WF。
【答案】(1)4.5C (2)1.8J (3)5.4J
【解析】解:(1)设棒匀加速运动的时间为Δt,回路的磁通量变化量为:ΔΦ=BLx,
由法拉第电磁感应定律得,回路中的平均感应电动势为:E = ![]()
由闭合电路欧姆定律得,回路中的平均电流为:I = ![]()
通过电阻R的电荷量为:q = IΔt
联立以上各式,代入数据解得:q =4.5C
(2)设撤去外力时棒的速度为v,棒做匀加速运动过程中,由运动学公式得:![]()
设撤去外力后的运动过程中安培力做功为W,由动能定理得:
W = 0-
mv2
撤去外力后回路中产生的焦耳热:Q2 = -W
联立以上各式,代入数据解得:Q2 =1.8J
(3)由题意各,撤去外力前后回路中产生的焦耳热之比Q1:Q2 =2:1
可得:Q1 =3.6J
在棒运动的整个过程中,由功能关系可得:WF = Q1 + Q2
联立以上各式,代入数据解得:WF =5.4J
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