题目内容

9.如图所示,宽度L=0.5m、足够长的平行光滑金属导轨固定在位于竖直平面的绝缘板,导轨所在空间存在磁感应强度B=0.5T的匀强磁场.磁场方向跟导轨所在平面垂直.两导轨间所接电源的电动势E=3.OV、内阻r=0.5Ω;电容为C的平行板电容器通过开关跨接在导轨间,一根导体棒MN两端套在导轨上与导轨接触良好,且可自由滑动,导体棒的电阻R=1.0Ω,其他电阻均可忽略不计,重力加速度g取10m/s2.
  当S1闭合S2、S3断开时,导体棒恰好静止不动.
(1)求导体棒MN的质量;
(2)S1、S3断开,S2闭合,释放导体棒,使之由静止开始运动,求当导体棒的加速a=5.0m/s2时,求导体棒产生的感应电动势的大小;
(3)S1、S3断开,S2闭合,释放导体棒,使之由静止开始运动,求导体棒运动的最大速度的大小;
 (4)S1、S2断开,S3闭合,释放导体棒,使之由静止开始运动,试回答导体棒此后将做何运动(电容器始终良好).

分析 (1)当S1闭合,S2、S3断开时,导体棒静止,由闭合电路欧姆定律求出电路中的电流I,由公式F=BIL求出安培力的大小,由平衡条件求导体棒MN的质量.
(2)S1、S3断开,S2闭合,释放导体棒的情况下,当导体棒的加速度a=5.0m/s2时,根据牛顿第二定律和安培力公式求出此时棒MN是的电流,再由欧姆定律求出导体棒产生的感应电动势大小.
(3)将S1、S3断开,S2闭合,导体棒由静止开始运动,先做加速运动,后做匀速运动,当导体棒所受重力与安培力平衡时,导体棒的速度达到最大,根据安培力与速度的关系式及平衡条件结合求解最大速度.
(4)S1、S2断开,S3闭合,释放导体棒,根据牛顿第二定律和加速度的定义式,结合电流的定义式分析知道棒做匀加速直线运动.

解答 解:(1)当S1闭合,S2、S3断开时,导体棒静止,通过导体棒的电流
  I1=$\frac{E}{R+r}$=$\frac{3}{1+0.5}$A=2.0A    
此时导体棒所受安培力 F1=BI1L=0.50×2.0×0.5N=0.5N
设MN棒的为m.由导体棒静止,有 mg=F1,
则得 m=0.05kg.
(2)S1、S3断开,S2闭合,释放导体棒,当导体棒的加速a=5.0m/s2时,有
  mg-F2=ma
又 F2=BI2L=B$\frac{{E}_{1}}{R}$L
解得导体棒产生的感应电动势  E1=1V
(3)S1、S3断开,S2闭合,释放导体棒,当导体棒所受重力与安培力平衡时,导体棒的速度达到最大,设最大速度为vm.
所以有  mg=BIL=B$\frac{BL{v}_{m}}{R}$L,
解得:vm=$\frac{mgR}{{B}^{2}{L}^{2}}$=8m/s
(4)S1、S2断开,S3闭合,释放导体棒,导体棒的加速度从g逐渐减小至某一值a,最终棒的运动性质是:匀加速直线运动.
推导如下:根据牛顿第二定律得 mg-BIL=ma
又 a=$\frac{△v}{△t}$
电流 I=$\frac{△Q}{△t}$=$\frac{C△U}{△t}$=$\frac{C•BL•△v}{△t}$=CBLa
则得 a=$\frac{mg}{m+C{B}^{2}{L}^{2}}$=定值.
答:
(1)导体棒MN的质量是0.05kg;
(2)当导体棒的加速a=5.0m/s2时,导体棒产生的感应电动势的大小是1V;
(3)S1、S3断开,S2闭合,释放导体棒,使之由静止开始运动,导体棒运动的最大速度的大小是8m/s;
(4)S1、S2断开,S3闭合,释放导体棒,使之由静止开始运动,导体棒此后将做匀加速直线运动.

点评 本题是电磁感应与力学基本知识的综合,其桥梁是安培力,要能熟练推导出安培力与速度的关系,即可轻松求解此类问题.

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