题目内容

1.如图所示,水平面上有电阻不计的U形导轨MN、PQ,它们之间的宽度为L=0.2m.M和P之间接入电动势为E=4V、内阻为r=1Ω的电源.现垂直于导轨放置一根质量为m=0.2kg的金属棒.金属棒ab接入导轨间的电阻为R=1Ω,并加一个范围较大的匀强磁场,磁感应强度大小为B=5T,方向竖直向上.金属棒与导轨间的动摩擦因数为μ=0.75.(g=10m/s2)
(1)求刚闭合开关时ab棒的加速度大小及方向.
(2)若B的大小方向均可改变,且方向始终在垂直金属棒的平面内改变,要使ab棒能缓慢向右匀速运动,此时B的方向又如何?

分析 (1)根据左手定则正确判断出导体棒ab所受安培力的方向,然后对棒ab进行受力分析,根据牛顿第二定律计算求刚闭合开关时ab棒的加速度大小及方向;
(2)根据受力图可知当重力等于安培力时,B最小,根据左手定则可以正确判断磁场B的方向.

解答 解:(1)通过对导体棒的受力分析,根据共点力平衡可知:
回路中的电流为$I=\frac{E}{R+r}=2A$
受到的安培力为:F安=BIL=2N 
根据左手定则,可知安培力方向水平向左
则刚闭合开关时ab棒的加速度大小$a=\frac{{F}_{安}}{m}=10m/{s}^{2}$
方向与安培力方向相同,方向水平向左;
(2)若B的大小方向均可改变,且方向始终在垂直金属棒的平面内改变,要使ab棒能缓慢向右匀速运动
满足上述条件的安培力应与ab棒的摩擦力大小相等、方向水平向右,所以有:
F安=BIL=μmg
解得B=3.75T,方向由左手定则知B的方向竖直向下;
答:(1)刚闭合开关时ab棒的加速度大小为10m/s2,方向水平向左;
(2)若B的大小方向均可改变,且方向始终在垂直金属棒的平面内改变,要使ab棒能缓慢向右匀速运动,此时B的方向应变为竖直向下.

点评 本题借助物体的平衡考查了安培力的大小和方向问题,综合了磁场,牛顿第二定律,受力分析等内容,考查共点力平衡与安培力知识的综合,作出受力分析图是解题的关键.

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