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精英家教网如图所示,光滑且足够长的平行导轨MN和PQ固定在同一水平面上,两导轨间距L=0.2m,电阻R1=0.4Ω,导轨上静止放置一质量m=0.1kg,电阻R2=0.1Ω的金属杆,导轨电阻忽略不计,整个装置处在磁感应强度B1=0.5T的匀强磁场中,磁场的方向竖直向下,现用一外力F沿水平方向拉杆,使之由静止开始做匀加速运动并开始计时,若5s末杆的速度为2.5m/s,求:
(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
m   的固定圆筒中,(筒壁上的小孔  a 只能容一个粒子通过)圆筒内有垂直水平面向下的磁感应强度为B2的匀强磁场.α粒子每次与筒壁发生碰撞均无电荷迁移,也无机械能损失,粒子与圆筒壁碰撞5次后恰又从a  孔背离圆心射出,忽略α粒子进入加速电场的初速度,α粒子 质量mα=6.6×10-27kg,电荷量qα=3.2×10-19C,则磁感应强度B2多大?若不计碰撞时间,粒子在圆筒内运动的总时间多大?(不计粒子之间的相互作用)(开根号时,
6.4
6.6
可取1)
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=
θ
2π
T求解时间.
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=
E
R1+R2
=
0.25
0.4+0.1
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=
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
精英家教网(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′=
E′
R1+R2
=
0.8
0.4+0.1
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=
1
2
mα
v
2
0

α粒子从a孔进入磁场的速度为:
v=
2qαU
mα
=
2×3.2×10-19×0.64
6.6×10-27
=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′=
3
3
r=
3
3
×
3
m=1m
又qαvB2=mα
v
2
0
R′

故:B2=
mαv0
qαR′
=
6.6×10-27×8×103
3.2×10-19×1
=1.6×10-4T
粒子在圆筒内运动的总时间为:
t=6×
60°
360°
T=T=
2πmα
qαB2
=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
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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