题目内容

5.如图1所示,固定的平行金属导轨MN、PQ,与水平面的夹角为30°;两导轨间的距离为L=1m,电阻不计,导轨下端连接一固定电阻R=0.4Ω,上面横放一导体棒ab,距离下端d=6m,与导轨间的动摩擦因数μ=$\frac{{\sqrt{3}}}{6}$,其质量m=0.1kg,电阻r=0.2Ω,与导线构成闭合回路.导轨处在垂直于导轨平面且向上的匀强磁场中,磁感应强度B随时间t变化的关系如图2所示,其中B1=0.6T,在t=0时刻及t0时刻棒ab均恰不滑动,且在此过程中棒ab静止,t>t0之后,导体棒ab将在导轨上运动,并能达到最大的稳定速度,假设滑动摩擦力等于最大静摩擦力,g取10m/s2.结果都保留两位有效数字,求:

(1)从t=0开始计时,导体棒ab静止在导轨上的时间t0的数值;
(2)导体棒ab从开始运动,到刚达到底边MP过程中,电阻R产生的焦耳热.

分析 (1)在t=0-t0时间内棒ab不滑动,受力平衡,列出平衡方程.在t=t0,导体棒刚好要下滑,静摩擦力达到最大值,列出平衡方程.由法拉第电磁感应定律和欧姆定律求出该时刻的电流,联立解得t0的数值;
(2)导体棒ab从静止开始运动,先作加速运动,稳定时作匀速直线运动,受力平衡,根据平衡条件和安培力公式列式,求解最大速度.由焦耳定律求出R上产生的焦耳热Q.

解答 解:(1)在0-t0时间内,设回路中感应电动势大小为E,感应电流为I.
在t=0,导体棒刚好要上滑:BIL=mgsin°+f…①
在t=t0,导体棒刚好要下滑:B2IL+f=mgsin30°…②
f=μmgcos30°…③
由法拉第电磁感应定律得:${E_1}=\frac{△ϕ}{△t}=Ld\frac{{{B_1}-{B_2}}}{t_0}$…④
根据闭合电路的欧姆定律:$I=\frac{E}{R+r}$…⑤
联立解得:t0=3.2s…⑥
 (2)t0以后,由①②两式可得B2=0.2T,导体棒ab从静止开始运动,达到最大稳定速度vm时,有:E1=B2Lvm…⑦
由平衡条件得:F+f=mgsin30°…⑧
又据安培力为:F=B2IL=$\frac{{B}_{2}^{2}{L}^{2}{v}_{m}}{R+r}$…⑨
导体棒ab从静止开始运动,到刚达到底边MP过程中,设整个回路中的产生的焦耳热为Q,由能量守恒得:
 mgdsin30°-fd=$\frac{1}{2}m{v}_{m}^{2}$+Q…⑩
根据电阻功率的分配可得:${Q_k}=\frac{R}{R+r}Q$…⑪
联立解得:QR=0.53J…⑫
答:(1)从t=0开始计时,导体棒ab静止在导轨上的时间t0的数值是3.2s;
(2)导体棒ab从开始运动,到刚达到底边MP过程中,电阻R产生的焦耳热是0.53J.

点评 本题中先产生感生电动势,要会运用法拉第定律求感应电动势.导体棒进入磁场后,产生动生电动势,由E=BLv求解感应电动势.

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