题目内容

15.如图所示,在倾角θ=30°的绝缘斜面上固定着两根平行金属导轨,导轨光滑且足 够长,电阻不计,其间距L=2m,下端通过导线连接一阻值R=8Ω的小灯泡.间距d=3m的 EF、CD范围内有一方向垂直于斜面向上的匀强磁场,EF、CD均与导轨唾直,磁感应强度 的大小随时间变化的情况如图乙所示,图乙中B0、tx均未知.另有一质量m=0.1kg、电阻r=2Ω、长度也为L的金属棒,在t=0时由导轨上的M、N处静止释放,沿导轨下 滑过程中始终与导轨保持良好接触,已知在金属棒离开CD之前小灯泡的 亮度不变,重力加速度g=10m/s2,试 求:
(1)金属棒在磁场中运动的速度大小;
(2)在金属棒下滑的整个过程中棒上 产生的焦耳热;
(3)t=O时的磁感应强度B0.

分析 (1)由于小灯泡的亮度没有发生变化,说明金属棒进入磁场后做匀速运动,根据平衡条件和法拉第电磁感应定律、欧姆定律、安培力公式结合求解.
(2)金属棒在磁场外做匀加速直线运动,由牛顿第二定律和速度公式求出运动的时间,再由焦耳定律求解焦耳热.
(3)根据法拉第电磁感应定律和闭合电路欧姆定律求解磁感应强度B0.

解答 解:(1)小灯泡的亮度不变,则金属棒进入磁场后做匀速运动,则有:
mgsin θ=BIL
得:I=$\frac{mgsinθ}{BL}$=0.5A
感应电动势为:E=BLv=I(R+r)
联立可得金属棒在磁场中运动的速度大小为:v=5m/s
(2)在磁场外金属棒做匀加速运动,加速度为:a=gsinθ=5m/s2;
运动时间为:t1=$\frac{v}{a}$=1s
在磁场中运动时间为:t2=$\frac{d}{v}$=0.6s
故棒上产生的焦耳热为:Q=I2r(t1+t2)=0.8J
(3)由闭合电路欧姆定律得:E=I(R+r)=5V
由法拉第电磁感应定律得:E=$\frac{△Φ}{△t}$=$\frac{Ld({B}_{0}-B)}{{t}_{x}}$
由上知:tx=t1=1s
联立可得:B0=$\frac{4}{3}$T
答:(1)金属棒在磁场中运动的速度大小是5m/s;
(2)在金属棒下滑的整个过程中棒上产生的焦耳热是0.8J;
(3)t=O时的磁感应强度B0是$\frac{4}{3}$T.

点评 对于复杂的电磁感应问题,关键通过审题找到突破口,本题关键抓住灯泡的亮度不变,正确判断棒的运动情况,从力和能两个角度进行研究.力的角度关键要会推导安培力与速度的关系,能的角度关键分析能量是怎样转化的.

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