题目内容
(1)5s末电阻R1上消耗的电功率.
(2)5s末外力F的功率
(3)若杆最终以8m/s的速度做匀速运动,此时闭合电键S,α射线源A释放的α粒子经加速电场C加速后从 a 孔对着圆心0进入半径r=
| 3 |
| 6.4 |
| 6.6 |
分析:(1)ab杆做匀加速直线运动过程中,根据E=BLv和欧姆定律求出回路中的电流,再由P=I2R1求解电阻R1上消耗的电功率.
(2)ab杆做匀加速直线运动过程中,水平方向受到F外力F与安培力二力作用,推导出安培力表达式,根据牛顿第二定律即可求得外力的大小,由P=Fv求出功率.
(3)根据欧姆定律求出加速电场的电压,由动能定理求出α粒子进入磁场的速度.若α粒子与圆筒壁碰撞5次后恰又从a孔背离圆心射出,则粒子与圆筒的碰撞点和a点将圆筒6等分,根据几何关系求出轨迹半径,由牛顿第二定律求磁感应强度B2.根据几何关系求解轨迹所对应的圆心角θ,由t=
T求解时间.
(2)ab杆做匀加速直线运动过程中,水平方向受到F外力F与安培力二力作用,推导出安培力表达式,根据牛顿第二定律即可求得外力的大小,由P=Fv求出功率.
(3)根据欧姆定律求出加速电场的电压,由动能定理求出α粒子进入磁场的速度.若α粒子与圆筒壁碰撞5次后恰又从a孔背离圆心射出,则粒子与圆筒的碰撞点和a点将圆筒6等分,根据几何关系求出轨迹半径,由牛顿第二定律求磁感应强度B2.根据几何关系求解轨迹所对应的圆心角θ,由t=
| θ |
| 2π |
解答:解:(1)5s末ab杆产生的感应电动势为:
E=B1Lv=0.5×0.2×2.5=0.25V
感应电流为:
I=
=
A=0.5A
电阻R1上消耗的电功率为:
P1=I2R1=0.52×0.4W=0.1W
(2)5s末ab杆所受的安培力 FA=B1IL,加速度为 a=
根据牛顿第二定律得:F-FA=ma
联立以上三式得:F=0.1N
5s末外力F的功率为:
P=Fv=0.1×2.5=0.25W
(2)杆最终以8m/s的速度做匀速运动时,产生的感应电动势为:
E′=B1Lv′=0.5×0.2×8=0.8V
感应电流为:
I′=
=
A=1.6A
加速电场的电压为:
U=IR1=1.6×0.4V=0.64V
根据动能定理:qαU=
mα
α粒子从a孔进入磁场的速度为:
v=
=
=8.0×103m/s
由题意知:α粒子与圆筒壁碰撞5次后从a孔离开磁场,画出轨迹,由几何关系求得∠dOb=60°
轨迹半径为:
R′=
r=
×
m=1m
又qαvB2=mα
故:B2=
=
=1.6×10-4T
粒子在圆筒内运动的总时间为:
t=6×
T=T=
=1.57×10-3s.
答:(1)5s末电阻R1上消耗的电功率为0.1W.
(2)5s末外力F的功率为0.25W.
(3)磁感应强度B2为1.6×10-4T,粒子在圆筒内运动的总时间为 1.57×10-3s
E=B1Lv=0.5×0.2×2.5=0.25V
感应电流为:
I=
| E |
| R1+R2 |
| 0.25 |
| 0.4+0.1 |
电阻R1上消耗的电功率为:
P1=I2R1=0.52×0.4W=0.1W
(2)5s末ab杆所受的安培力 FA=B1IL,加速度为 a=
| v |
| t |
根据牛顿第二定律得:F-FA=ma
联立以上三式得:F=0.1N
5s末外力F的功率为:
P=Fv=0.1×2.5=0.25W
E′=B1Lv′=0.5×0.2×8=0.8V
感应电流为:
I′=
| E′ |
| R1+R2 |
| 0.8 |
| 0.4+0.1 |
加速电场的电压为:
U=IR1=1.6×0.4V=0.64V
根据动能定理:qαU=
| 1 |
| 2 |
| v | 2 0 |
α粒子从a孔进入磁场的速度为:
v=
|
|
由题意知:α粒子与圆筒壁碰撞5次后从a孔离开磁场,画出轨迹,由几何关系求得∠dOb=60°
轨迹半径为:
R′=
| ||
| 3 |
| ||
| 3 |
| 3 |
又qαvB2=mα
| ||
| R′ |
故:B2=
| mαv0 |
| qαR′ |
| 6.6×10-27×8×103 |
| 3.2×10-19×1 |
粒子在圆筒内运动的总时间为:
t=6×
| 60° |
| 360° |
| 2πmα |
| qαB2 |
答:(1)5s末电阻R1上消耗的电功率为0.1W.
(2)5s末外力F的功率为0.25W.
(3)磁感应强度B2为1.6×10-4T,粒子在圆筒内运动的总时间为 1.57×10-3s
点评:本题是电磁感应与力学、电路知识的综合,求解安培力,画出磁场中轨迹,由几何知识求轨迹半径是解题的两个关键.
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