题目内容

如图所示,竖直平面内有无限长、不计电阻的两组平行光滑金属导轨,宽度均为L=0.5m,上方连接一个阻值R=1Ω的定值电阻,虚线下方的区域内存在磁感应强度B=2T的匀强磁场。完全相同的两根金属杆1和2靠在导轨上,金属杆与导轨等宽且与导轨接触良好,电阻均为r=0.5Ω。将金属杆1固定在磁场的上边缘(仍在此磁场内),金属杆2从磁场边界上方h0=0.8m处由静止释放,进入磁场后恰作匀速运动。求:

(1)金属杆2进入磁场时的速度。

(2)金属杆的质量m为多大?

(3)若金属杆2从磁场边界上方h1=0.2m处由静止释放,进入磁场经过一段时间后开始匀速运动。在此过程中整个回路产生了1.4J的电热,则此过程中流过电阻R的电量q为多少?

(4)金属杆2仍然从离开磁场边界h1=0.2m处由静止释放,在金属杆2进入磁场的同时由静止释放金属杆1,两金属杆运动了一段时间后均达到稳定状态,试求两根金属杆各自的最大速度。(已知两个电动势分别为E1、E2不同的电源串联时,电路中总的电动势E=E1+E2。)

 


解答与评分标准:

(1)金属杆2进入磁场前做自由落体运动,

vm==m/s=4m/s                                 (2分)

(2)金属杆2进入磁场后受两个力平衡:mg=BIL,                      (1分)

且E=BLvm,                                                (1分)

解出m===0.2kg                             (1分)

(3)金属杆2从下落到再次匀速运动的过程中,能量守恒(设金属杆2在磁场内下降h2):mg(h1+h2)=+Q                                                      (1分)

解出h2=1=……=1.3m                                    (1分)

金属杆2进入磁场到匀速运动的过程中,,,q= (1分)

解出q=c=0.65c                                  (1分)

(4)金属杆2刚进入磁场时的速度v==m/s=2m/s          (1分)

释放金属杆1后,两杆受力情况相同,且都向下加速运动,合力等于零时速度即最大。

mg=BIL,且, E1=BLv1,E2=BLv2                                (1分)

整理得到:v1+ v2=,代入数据得v1+ v2=4 m/s……………… ①   (1分)

因为两个金属杆任何时刻受力情况相同,因此任何时刻两者的加速度也都相同,在相同时间内速度的增量也必相同,即:v1-0 =v2- v             

代入数据得v2= v1+2………………  ②                                   (1分)

(画出v-t图,找到两者速度差值(v2-v1)恒为2m/s的,同样给分)

②两式联立求出:v1=1m/s,v2=3m/s                                     (1分)

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