题目内容

6.如图所示,相距l=0.5m足够长的两根光滑导轨与水平面成37°角,导轨电阻不计,上、下端分别连接阻值都为2Ω的电阻R,导轨处在磁感应强度B=2T的匀强磁场中,磁场方向垂直导轨平面向上.一质量为0.5kg、电阻为1Ω的金属棒ab水平放置在导轨上且与导轨接触良好,现将ab棒从静止释放,ab棒沿轨道下滑4m时,速度达到最大值vm.
(g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8)求:
(1)ab棒的最大速度vm;
(2)该过程中电路产生的焦耳热;
(3)该过程中通过导轨下端电阻R的电荷量.

分析 (1)当安培力等于重力沿斜面向下的分力时,金属棒的速度最大,根据共点力平衡,结合切割产生的感应电动势公式、闭合电路欧姆定律求出金属棒下滑的最大速度.
(2)回路中产生的热量等于克服安培力做功的大小,根据动能定理求出该过程中电路产生的焦耳热.
(3)根据电量q=It,平均电流I=$\frac{\overline{E}}{R+r}$,E=n$\frac{△∅}{△t}$和电路的串并联关系知通过导轨下端电阻R的电荷量.

解答 解:(1)当ab棒的合力为零时,其速度达到最大值vm,对其受力分析,如图所示,由牛顿第二定律、安培力公式,可得:
mgsin37°=BIL…①
两外电阻并联电阻为$\frac{R}{2}$,根据法拉第电磁感应定律和闭合电路欧姆定律,可得:I=$\frac{BL{v}_{m}}{\frac{R}{2}+r}$…②
联立①②可得:vm=6m/s
(2)设全程产生的焦耳热为Q,由功能关系可得:mgxsinθ=Q+$\frac{1}{2}$mvm2
代入数据有:0.5×10×4sin37°=Q$+\frac{1}{2}×0.5$×62
可得:Q=3J
(3)由法拉第电磁感应定律知:E=n$\frac{△∅}{△t}$.
电荷量为:q=$\overline{I}t$=$\frac{E}{\frac{R}{2}+r}$t=$\frac{Blx}{\frac{R}{2}+r}$=2C
由电路的串并联关系知:q′=$\frac{1}{2}q$=1C
答:(1)ab棒的最大速度vm为6m/s;
(2)该过程中电路产生的焦耳热为3J;
(3)该过程中通过导轨下端电阻R的电荷量为1C.

点评 本题根据棒的运动情况,结合受力分析和平衡条件求解速度;同时要结合功能关系进行分析;感应电量与棒运动位移有关,常常知道电量可求位移,或知道位移,可求电量,这种思路是熟悉.

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