题目内容

20.如图所示,电阻不计的平行金属导轨MN和OP水平放置,MO间接有阻值为R=0.5Ω的电阻,导轨相距为l=0.20m,其间有竖直向下的匀强磁场,磁感强度为B=0.50T,质量为m=0.1kg,电阻为r=0.5Ω的导体棒CD垂直于导轨放置,并接触良好.用平行于MN的恒力F=0.6N向右拉动CD.CD受恒定的摩擦阻力f=0.5N.求:
(1)CD运动的最大速度是多少?
(2)当CD达到最大速度后,电阻R消耗的电功率是多少?
(3)当CD的速度是最大速度的$\frac{1}{4}$时,CD的加速度是多少?

分析 (1)CD棒从静止开始先做加速度减小的变加速直线运动,后做匀速直线运动,此时速度达到最大.由感应电动势、欧姆定律和安培力公式推导出安培力与速度的关系式,由平衡条件求出最大速度.
(2)先求出CD达到最大速度后的电流,再求解R的电功率.
(3)当CD的速度是最大速度的$\frac{1}{4}$时,根据安培力表达式求出此时的安培力,由牛顿第二定律求解加速度.

解答 解:(1)设CD运动的最大速度为vm.根据导体切割磁感应线产生的感应电动势计算公式可得:E=Blvm,
根据闭合电路的欧姆定律可得:I=$\frac{E}{R+r}$
根据安培力的计算公式可得:F安=BIl
得到安培力为:F安=$\frac{{B}^{2}{l}^{2}{v}_{m}}{R+r}$.
由平衡条件得:F=f+F安,
代入解得:vm=10m/s;
(2)当CD达到最大速度后,感应电动势为:E=Blvm=0.5×0.2×10V=1V,
电路中电流为:I=$\frac{E}{R+r}$=$\frac{1}{0.5+0.5}$A=1A,
电阻R消耗的电功率是:P=I2R=0.5W;
(3)当CD的速度是最大速度的$\frac{1}{4}$时,即速度为:v=$\frac{1}{4}×10$m/s=2.5m/s,
此时的安培力为:F安′=$\frac{{B}^{2}{l}^{2}v}{R+r}$=$\frac{0.{5}^{2}×0.{2}^{2}×2.5}{1}$N=0.025N,
根据牛顿第二定律可得:F-F安′-f=ma,
解得此时的加速度为:a=0.75m/s2.
答:(1)CD运动的最大速度:10m/s;
(2)当CD达到最大速度后,电阻R消耗的电功率是0.5W;
(3)当CD的速度是最大速度的$\frac{1}{4}$时,CD的加速度是0.75m/s2.

点评 对于电磁感应问题研究思路常常有两条:一条从力的角度,根据平衡条件或牛顿第二定律列出方程;另一条是能量,分析涉及电磁感应现象中的能量转化问题,根据动能定理、功能关系等列方程求解.

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