题目内容

8.MN、PQ是两根竖直放置的间距为L的足够长的光滑平行金属导轨,虚线以上有垂直纸面向外的匀强磁场,虚线以下有垂直纸面向里的匀强磁场Ⅱ,两磁场区域的磁感应强度均为B.金属棒ab质量为M,电阻为R为静止放在Ⅰ中导轨上的水平突起上;金属棒cd质量为m,电阻也为R,让cd在Ⅱ中某处无初速度释放,当cd下落距离为h时,ab恰好对突起没有压力.已知两根金属棒始终水平且与金属导轨接触良好,金属导轨的电阻不计,重力加速度为g.求:
(1)当cd下落距离为h时,通过ab的电流I.
(2)当cd下落距离为h时,cd的速度大小v.
(3)从cd释放到下落距离为h的过程中,ab上产生的焦耳热Qab.(结果用B、L、M、m、R、h、g表示)

分析 (1)导体棒cd下滑过程中ab所受的安培力与重力平衡,根据平衡条件和安培力公式结合求解.
(2)根据法拉第电磁感应定律和欧姆定律结合求解导体棒cd运动时的速度大小.
(3)由总能量守恒可知:机械能的减小等于内能的增加,据此可求得焦耳热Qab.

解答 解:(1)导体棒cd下滑过程中ab所受的安培力与重力平衡,则有:Mg=BIL
则得:I=$\frac{Mg}{BL}$
(2)设导体棒cd运动时的速度大小为v
感应电动势的大小为:E=Blv
根据闭合欧姆定律得:I=$\frac{E}{2R}$
则得:v=$\frac{2MgR}{{B}^{2}{L}^{2}}$
 (3)由能量守恒可知:$mgh=\frac{1}{2}m{v}^{2}+{Q}_{\;}$ 
得:Q=mgh-$\frac{1}{2}m{v}^{2}$=mgh-$\frac{2{mM}^{2}{g}^{2}{R}^{2}}{{B}^{4}{L}^{4}}$
又两段的电阻相同,得:Qab=$\frac{Q}{2}$=$\frac{mgh}{2}$-$\frac{m{M}^{2}{g}^{2}{R}^{2}}{{B}^{4}{L}^{4}}$
答:(1)当cd下落距离为h时,通过ab的电流大小是$\frac{Mg}{BL}$;
(2)当cd下落距离为h时,cd的速度大小是 $\frac{2MgR}{{B}^{2}{L}^{2}}$.
(3)从cd释放到下落距离为h的过程中,ab上产生的焦耳热Qab.为$\frac{mgh}{2}$-$\frac{m{M}^{2}{g}^{2}{R}^{2}}{{B}^{4}{L}^{4}}$

点评 此题关键要理清过程,知道金属杆匀速直线运动时,所受的重力与安培力平衡.

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