题目内容

11.如图甲所示,足够长的光滑平行金属导轨MN,PQ竖直放置,其宽度L=1m,一匀强磁场垂直穿过导轨平面,导轨的上端M与P之间连接阻值为R=0.40Ω的电阻,质量为m=0.01kg、电阻为r=0.30Ω的金属棒ab紧贴在导轨上.现使金属棒ab由静止开始下滑,下滑过程中ab始终保持水平,且与导轨接触良好,其下滑距离x与时间t的关系如图乙所示,图象中的OA段为曲线,AB段为直线,导轨电阻不计,g=10m/s2(忽略ab棒运动过程中对原磁场的影响),求:
(1)判断金属棒两端a、b的电势高低;
(2)磁感应强度B的大小;
(3)在金属棒ab从开始运动的1.5s内,电阻R上产生的热量.

分析 (1)由右手定则判断出感应电流方向,然后判断电势高低.
(2)由题,x-t图象AB段为直线,说明从t=1.5s时开始金属棒ab做匀速直线运动,由图线的斜率求出速度,推导出安培力的表达式,根据平衡条件求出磁感应强度B的大小.
(3)根据能量守恒定律和焦耳定律求解金属棒ab在开始运动的1.5s内,电路中产生的热量;

解答 解:(1)由右手定则可知,ab中的感应电流由a流向b,ab相当于电源,则b点电势高,a点电势低;
(2)由x-t图象求得t=1.5s时金属棒的速度为:v=$\frac{△x}{△t}$=$\frac{11.2-7}{2.1-1.5}$=7m/s,
金属棒匀速运动时所受的安培力大小为:F=BIL,而I=$\frac{E}{R+r}$,E=BLv
得到:F=$\frac{{B}^{2}{L}^{2}v}{R+r}$,
根据平衡条件得:F=mg
则有:mg=$\frac{{B}^{2}{L}^{2}v}{R+r}$,
代入数据解得:B=0.1T
(3)金属棒ab在开始运动的1.5s内,金属棒的重力势能减小转化为金属棒的动能和电路的内能.
设电路中产生的总焦耳热为Q,根据能量守恒定律得:
mgx=$\frac{1}{2}$mv2+Q,代入数据解得Q=0.455J,QR=$\frac{R}{R+r}$Q=0.26J;
答:(1)金属棒a端电势低,b端电势高;
(2)磁感应强度是0.1T;
(3)金属棒ab在开始运动的1.5s内,电阻R上产生的热量为0.26J.

点评 电磁感应往往从两个角度研究:一是力,关键是安培力的分析和计算,F=$\frac{{B}^{2}{L}^{2}v}{R+r}$,常用的经验公式,要记牢.二是从能量的角度,关键分析能量如何转化.

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