题目内容

【题目】如图(a)所示,间距为l、电阻不计的光滑导轨固定在倾角为θ的斜面上.在区域I内有方向垂直于斜面的匀强磁场,磁感应强度恒为B;在区域Ⅱ内有垂直于斜面向下的匀强磁场,其磁感应强度Bt的大小随时间t变化规律如图(b)所示.t=0时刻,在轨道上端的金属细棒ab从如图位置由静止开始沿导轨下滑,同时下端的另一金属细棒cd在位于区域I内的导轨上也由静止释放.在ab棒运动到区域Ⅱ的下边界EF之前,cd棒始终静止不动,两棒均与导轨接触良好.已知cd棒的质量为m,电阻为R,ab棒的质量、阻值均未知,区域Ⅱ沿斜面的长度为2l,在t=tx时刻(tx未知)ab棒恰好进入区域Ⅱ,重力加速度为g.求:

(1)当ab棒在区域Ⅱ内运动时,cd棒消耗的电功率;

(2)ab棒由静止下滑到区域Ⅱ下边界的时间.

【答案】(1) (2)

【解析】

(1)Ⅱ内磁场均匀变化,在回路中形成感应电流,根据楞次定律判断出流过cd的电流方向,然后根据平衡求出cd棒所受安培力方向,进一步根据左手定则判断磁场方向.根据导体棒处于平衡状态可知,安培力等于重力沿导轨向下分力,由此可求出通过cd棒中的电流大小,从而求解电功率.(2)棒ab进入II区域前后回路中的电动势不变,即磁场变化产生电动势与导体切割磁感线产生电动势相等,据此求出导体棒进入II时的位移大小,然后根据导体棒先匀加速下滑后匀速下滑即可求出总时间.

(1)如图所示,cd棒受到重力、支持力和安培力的作用而处于平衡状态,由平衡条件得
BIl=mgsinθ
解得,
可见在ab棒运动到区域Ⅱ的下边界EF之前,回路中感应电流和感应电动势保持不变,则cd棒消耗的电功率.
(2)ab进入区域Ⅱ前做匀加速运动,进入后做匀速运动,设ab刚好到达区域Ⅱ的边界的速度大小为v.则由题意,

解得,可知ab棒进入区域Ⅱ之前在导轨上下滑的距离为l,因加速度a=gsinθ,则ab进入区域Ⅱ前的时间;

,

在磁场Ⅱ中运动的时间:,

则ab棒由静止下滑到区域Ⅱ下边界的时间为

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