题目内容
如图甲所示,固定于水平桌面上的金属导轨abcd足够长,金属棒ef搁在导轨上,可无摩擦地滑动,此时bcfe构成一个边长为l的正方形.金属棒的电阻为r,其余部分的电阻不计.在t=0的时刻,导轨间加一竖直向下的磁场,磁感应强度随时间的变化如图乙所示.为使金属棒ef在0-t1保持静止,在金属棒ef上施加一水平拉力F,从t1时刻起保持此时的水平拉力F不变,金属棒ef在导轨上运动了s后刚好达到最大速度,求:
(1)在t=
时刻该水平拉力F的大小和方向;
(2)金属棒ef在导轨上运动的最大速度;
(3)从t=0开始到金属棒ef达到最大速度的过程中,金属棒ef中产生的热量.

(1)在t=
| t1 | 2 |
(2)金属棒ef在导轨上运动的最大速度;
(3)从t=0开始到金属棒ef达到最大速度的过程中,金属棒ef中产生的热量.
分析:(1)由法拉第电磁感应定律求出感应电动势,由F=BIL求出安培力,由楞次定律判断出感应电流的方向,由左手定则判断出安培力的方向,由平衡条件求出拉力大小与方向;
(2)当拉力与安培力相等时,导体棒做匀速运动,速度达到最大,求出拉力,根据安培力公式求出导体棒的最大速度;
(3)由焦耳定律求出导体棒静止时产生的焦耳热,由能量守恒定律求出导体棒运动时产生的焦耳热,然后求出整个过程产生的焦耳热.
(2)当拉力与安培力相等时,导体棒做匀速运动,速度达到最大,求出拉力,根据安培力公式求出导体棒的最大速度;
(3)由焦耳定律求出导体棒静止时产生的焦耳热,由能量守恒定律求出导体棒运动时产生的焦耳热,然后求出整个过程产生的焦耳热.
解答:解:(1)
时刻,感应电动势E=
S=
,
导体棒受到的安培力F安=
?I?l=
?
?l=
,
由楞次定律可知,感应电流从f流向e,由左手定则可知,导体棒受到的安培力向左;
由平衡条件可知,此时水平拉力F=
,方向水平向右;
(2)导体棒切割磁感线产生感应电动势,
当金属棒的速度最大时,感应电动势E′=B1lvm,
此时导体棒受到的安培力F安′=B1?
?l,
此时水平拉力F′=2×
=
,
当安培力与拉力合力为零时,导体棒做匀速直线运动,此时速度最大,
即:F′=F安′,
=B1?
?l;
解得,导体棒的最大速度:vm=
;
(3)金属棒静止时的感应电流:
=
,
产生的焦耳热:Q1=
rt1=
,
金属棒从开始运动到最大速度阶段,
由能量守恒定律,得:Q2=Fs-
m
=
?s-
m(
)2=
-
,
全过程产生的焦耳热Q=Q1+Q2=
-
;
答:(1)在t=
时刻该水平拉力F的大小为
,方向水平向右;
(2)金属棒ef在导轨上运动的最大速度是
;
(3)从t=0开始到金属棒ef达到最大速度的过程中,金属棒ef中产生的热量是
-
.
| t1 |
| 2 |
| △B |
| △t |
| B1l2 |
| t1 |
导体棒受到的安培力F安=
| B1 |
| 2 |
| B1 |
| 2 |
| ||
| r |
| ||
| 2rt1 |
由楞次定律可知,感应电流从f流向e,由左手定则可知,导体棒受到的安培力向左;
由平衡条件可知,此时水平拉力F=
| ||
| 2rt1 |
(2)导体棒切割磁感线产生感应电动势,
当金属棒的速度最大时,感应电动势E′=B1lvm,
此时导体棒受到的安培力F安′=B1?
| B1lvm |
| r |
此时水平拉力F′=2×
| ||
| 2rt1 |
| ||
| rt1 |
当安培力与拉力合力为零时,导体棒做匀速直线运动,此时速度最大,
即:F′=F安′,
| ||
| rt1 |
| B1lvm |
| r |
解得,导体棒的最大速度:vm=
| l |
| t1 |
(3)金属棒静止时的感应电流:
| I | 1 |
| B1l2 |
| rt1 |
产生的焦耳热:Q1=
| I | 2 1 |
| ||
| rt1 |
金属棒从开始运动到最大速度阶段,
由能量守恒定律,得:Q2=Fs-
| 1 |
| 2 |
| v | 2 m |
| ||
| rt1 |
| 1 |
| 2 |
| l |
| t1 |
| ||
| rt1 |
| ml2 | ||
2
|
全过程产生的焦耳热Q=Q1+Q2=
| ||
| rt1 |
| ml2 | ||
2
|
答:(1)在t=
| t1 |
| 2 |
| ||
| 2rt1 |
(2)金属棒ef在导轨上运动的最大速度是
| l |
| t1 |
(3)从t=0开始到金属棒ef达到最大速度的过程中,金属棒ef中产生的热量是
| ||
| rt1 |
| ml2 | ||
2
|
点评:导体棒静止时,磁感应强度均匀变化,产生的感应电动势是定值,感应电流是定值,但导体棒受到的安培力F=-BIL是变力;导体棒在拉力作用下向右运动时,做的是加速度逐渐减小的加速运动,最后做匀速直线运动,对导体棒正确受力分析,分析清楚导体棒的运动过程是正确解题的关键.
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