题目内容

16.如图所示,固定的光滑金属导轨间距为L,导轨电阻不计,上端a、b间接有阻值为R的电阻,导轨平面与水平面的夹角为θ,且处在磁感应强度大小为B、方向垂直导轨平面向上的匀强磁场中,质量为m、电阻为r的导体棒与固定弹簧相连后放在导轨上.初始时刻,弹簧恰处于自然长度,导体棒具有沿轨道向上的初速度v0,整个运动过程中,导体棒始终与导轨垂直并保持良好接触.已知重力加速度为g,弹簧的劲度系数为k,弹簧的中心轴线与导轨平行,弹簧重力不计.
(1)求初始时刻通过电阻R的电流I的大小和方向;
(2)初始时刻导体棒的加速度a的大小;
(3)导体棒最终静止时弹簧的弹性势能为Ep,求导体棒从开始运动直到停止的过程中,电阻R上产生的焦耳热Q.

分析 (1)棒向上运动切割磁感线,由E1=BLv0求感应电动势,由欧姆定律求感应电流,根据右手定则判断感应电流的方向;
(2)当导体棒第一次回到初始位置时,速度变为v,棒产生的感应电动势为E2=BLv,再由欧姆定律求得感应电流,由F=BIL求出此时棒所受的安培力,根据牛顿第二定律就可以求出加速度;
(3)导体棒最终静止时,由胡克定律求出弹簧的被压缩长度x,对整个过程,运用能量守恒列式,可求出回路产生的总热量,再串联关系求出R上产生的焦耳热Q.

解答 解:(1)棒产生的感应电动势为:E1=BLv0
通过R的电流大小为:I1=$\frac{{E}_{1}}{R+r}$=$\frac{BL{v}_{0}}{R+r}$
根据右手定则判断得知:电流方向为b→a;    
(2)棒产生的感应电动势为:E2=BLv
感应电流为:I2=$\frac{{E}_{2}}{R+r}$=$\frac{BLv}{R+r}$
棒受到的安培力大小为:F=BIL=$\frac{{B}^{2}{L}^{2}v}{R+r}$,方向沿斜面向上,如图所示.
根据牛顿第二定律 有:mgsinθ-F=ma
解得:a=gsinθ-$\frac{{B}^{2}{L}^{2}v}{m(R+r)}$
(3)导体棒最终静止,有:mgsinθ=kx
弹簧的压缩量为:x=$\frac{mgsinθ}{k}$
设整个过程回路产生的焦耳热为Q0,根据能量守恒定律有:$\frac{1}{2}$m${v}_{0}^{2}$+mgxsinθ=EP+Q0;
解得:Q0=$\frac{1}{2}$m${v}_{0}^{2}$+$\frac{(mgsinθ)^{2}}{k}$-EP;
电阻R上产生的焦耳热为:Q=$\frac{R}{R+r}$Q0=$\frac{R}{R+r}$[$\frac{1}{2}$m${v}_{0}^{2}$+$\frac{(mgsinθ)^{2}}{k}$-Ep]
答:(1)初始时刻通过电阻R的电流I的大小为$\frac{BL{v}_{0}}{R+r}$,方向为b→a;
(2)此时导体棒的加速度大小a为gsinθ-$\frac{{B}^{2}{L}^{2}v}{m(R+r)}$;
(3)导体棒从开始运动直到停止的过程中,电阻R上产生的焦耳热$\frac{1}{2}$m${v}_{0}^{2}$+$\frac{(mgsinθ)^{2}}{k}$-EP

点评 本题是导体棒在导轨上滑动的类型,分析、计算安培力和分析能量如何转化是解题的关键,综合性较强.

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