题目内容

【题目】如图甲所示,足够长的光滑平行金属导轨MN、PQ所在平面与水平面成30°角,两导轨的间距l=0.50 m,一端接有阻值R=1.0 Ω的电阻.质量m=0.10 kg的金属棒ab置于导轨上,与导轨垂直,电阻r=0.25 Ω.整个装置处于磁感应强度B=1. 0 T的匀强磁场中,磁场方向垂直于导轨平面向下.t=0时刻,对金属棒施加一平行于导轨向上的外力F,使之由静止开始运动,运动过程中电路中的电流随时间t变化的关系如图乙所示.电路中其他部分电阻忽略不计,g取10 m/s2.求:

(1)4.0 s末金属棒ab瞬时速度的大小;

(2)3.0 s末力F的瞬时功率;

(3)已知0~4.0 s时间内电阻R上产生的热量为0.64 J,试计算F对金属棒所做的功.

【答案】(1)2. 0 m/s (2)1.275 W (3)3.0 J

【解析】

试题(1)由题图乙可得:t=4.0s时,I=0.8A.

根据,E=Blv

解得:v=2.0m/s.

(2)由和感应电流与时间的线性关系可知,金属棒做初速度为零的匀加速直线运动.

由运动学规律v=at

解得4.0 s内金属棒的加速度大小a=0.5 m/s2

对金属棒进行受力分析,根据牛顿第二定律得:F-mgsin 30°-F安=ma

又F安=BIl

由题图乙可得,t=3.0 s时,I=0.6 A

解得F安=0.3 N,外力F=0.85 N

由速度与电流的关系可知t=3.0 s时v=1.5 m/s

根据P=Fv,解得P=1.275 W.

(3)根据焦耳定律:Q=I2Rt Q′=I2rt

解得在该过程中金属棒上产生的热量Q′=0.16 J

电路中产生的总热量为:Q总=0.80 J

根据能量守恒定律有:WF=ΔEp+Q总+mv2

ΔEp=mgxsin 30°

x=at2

解得ΔEp=2.0 J

F对金属棒所做的功WF=3.0J.

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