题目内容

【题目】如图所示,光滑且足够长的平行金属导轨MN、PQ固定在竖直平面内,两导轨间的距离为L,导轨间连接一个定值电阻,阻值为R,导轨上放一质量为m,电阻为的金属杆ab,金属杆始终与导轨连接良好,其余电阻不计,整个装置处于磁感应强度为B的匀强磁场中,磁场的方向垂直导轨平面向里。重力加速度为g,现让金属杆从虚线水平位置处由静止释放。

(1)求金属杆的最大速度vm;

(2)若从金属杆开始下落到刚好达到最大速度的过程中,金属杆下落的位移为x,经历的时间为t,为了求出电阻R上产生的焦耳热Q,某同学做了如下解答:

①

②

③

联立①②③式求解出Q。

请判断该同学的做法是否正确;若正确请说明理由,若不正确请写出正确解答。

(3)在金属杆达最大速度后继续下落的过程中,通过公式推导验证:在Δt时间内,重力对金属杆所做的功WG等于电路获得的电能W电,也等于整个电路中产生的焦耳热Q。

【答案】(1)(2)不正确;(3)见解析;

【解析】(1)金属杆下落中受重力和安培力两个力作用,其运动满足:

金属杆做加速度减小的加速运动,当加速度为零时,速度达到最大,mg=F安

F安=BIL

解得:

(2)该同学的做法不正确;

解:从金属杆开始下落到刚好达到最大速度的过程中,由动能定理有:

解得:

(3)电动势E感=BLv,因金属杆达到最大速度后做匀速直线运动,

由平衡条件有:G=F安=BIL

在Δt时间内,重力对金属杆所做的功WG=GvΔt= F安vΔt=BILvΔt

电路获得的电能W电=qE感=E感IΔt=BILvΔt

故重力对金属杆所做的功WG等于电路获得的电能W电

回路中产生的焦耳热Q=I2(R+r)Δt=I(R+r)IΔt=qE感=E感IΔt=W电

故电能W电等于整个回路中产生的焦耳热Q。

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