题目内容

5.如图所示,光滑金属直轨道MN和PQ固定在同一水平面内,MN、PQ平行且足够长,两轨道间的宽度L=0.50m.轨道左端接一阻值R=0.50Ω的电阻.轨道处于磁感应强度大小B=0.40T,方向竖直向下的匀强磁场中,质量m=0.50kg的导体棒ab垂直于轨道放置.在沿着轨道方向向右的力F作用下,导体棒由静止开始运动,导体棒与轨道始终接触良好并且相互垂直,不计轨道和导体棒的电阻,不计空气阻力,若力F的大小保持不变,且F=1.0N,求:
(1)导体棒能达到的最大速度大小vm;
(2)导体棒的速度v=5.0m/s时,导体棒的加速度大小a.

分析 (1)导体棒能达到的最大速度时,受力平衡,做匀速直线运动,由平衡条件和安培力公式结合求解最大速度.
(2)先推导出安培力,再根据牛顿第二定律求解加速度a.

解答 解:(1)导体棒达到最大速度vm时受力平衡,有:F=F安
此时有:F安=BIL=$\frac{{B}^{2}{L}^{2}{v}_{m}}{R}$,
代入数据解得:vm=12.5m/s;
(2)导体棒的速度v=5.0m/s时,感应电动势为:
E=BLv=0.4×0.5×5V=1.0V
导体棒上通过的感应电流为:
I′=$\frac{E}{R}$=$\frac{1.0}{0.5}$A=2A
导体棒受到的安培力为:
F′安=BI′L=0.4×2×0.5N=0.40N
根据牛顿第二定律,解得:
a=$\frac{F-{F′}_{安}}{m}$=1.2m/s2.
答:(1)导体棒能达到的最大速度大小为12.5m/s;
(2)导体棒的速度v=5.0m/s时,导体棒的加速度大小为1.2m/s2.

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导体棒的平衡问题,根据平衡条件列出方程;另一条是能量,分析涉及电磁感应现象中的能量转化问题,根据动能定理、功能关系等列方程求解.

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