题目内容


如图甲所示,质量为m的导体棒ab垂直放在相距为l的平行且无限长的金属导轨上,导体棒ab与平行金属导轨的摩擦因数为μ,导轨平面与水平面的夹角为θ,并处于磁感应强度大小为B、方向垂直于导轨平面向上的匀强磁场中。R和Rx分别表示定值电阻和滑动变阻器连入电路的阻值,不计其他电阻。现由静止释放导体棒,当通过R的电荷量达到q时,导体棒ab刚好达到最大速度。重力加速度为g。

(1)求从释放导体棒到棒达到最大速度时下滑的距离s和最大速度vm;

(2)若将左侧的定值电阻和滑动变阻器换为水平放置的电容为C的平行板电容器,如图乙所示,导体棒ab由静止释放到达到(1)中的速度vm需要多少时间(用vm表示最大速度)?


解析:(1)对于闭合回路,在全过程中,根据法拉第电磁感应定律得ab中的平均感应电动势

==①

由闭合电路欧姆定律得通过R的平均电流=②

通过R的电荷量q=Δt③

联立①②③得:s=q

在ab加速下滑的过程中,根据牛顿第二定律:

mgsinθ-μmgcosθ-FA=ma④

式中安培力FA=BIl⑤

其中I=⑥

当④中的加速度为0时,ab的速度v=vm⑦

联立④⑤⑥⑦得:vm=(R+Rx)(sinθ-μcosθ)

(2)设ab下滑的速度大小为v时经历的时间为t,通过ab的电流为i,则:

mgsinθ-μmgcosθ-Bil=ma⑧

设在时间间隔Δt内平行板电容器增加的电荷量为ΔQ,则:

i=⑨

此时平行板电容器两端的电压的增量为ΔU=BlΔv⑩

根据电容的定义C=⑪

而Δv=aΔt⑫

联立上面各式得ab下滑的加速度

a=g

上式表明ab做初速度为0的匀加速运动,所以

t=

答案:(1)q (R+Rx)(sinθ-μcosθ)

(2)


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