题目内容

12.如图所示,光滑的定滑轮上绕有轻质柔软细线,线的一端系一质量为3m的重物,另一端系一质量为m、电阻为r的金属杆.在竖直平面内有间距为L的足够长的平行金属导轨PQ、EF,在QF之间连接有阻值为R的电阻,其余电阻不计,磁感应强度为B0的匀强磁场与导轨平面垂直,开始时金属杆置于导轨下端QF处,将重物由静止释放,当重物下降h时恰好达到稳定速度而匀速下降(运动过程中金属杆始终与导轨垂直且接触良好,忽略所有摩擦,重力加速度为g).求:
(1)重物匀速下降的速度v;
(2)重物从释放到下降h的过程中,电阻R中产生的焦耳热QR;
(3)若将重物下降h时的时刻记作t=0时刻,速度记为v0,从此时刻起,磁感应强度逐渐减小,若此后金属杆中恰好不产生感应电流,则磁感应强度B怎样随时间t变化(写出B与t的关系式)

分析 (1)重物匀速下降时,金属杆匀速上升,受力平衡.推导出安培力,由平衡条件列式求出速度v.
(2)重物从释放到下降h的过程中,重物的重力势能减小转化为杆的重力势能和动能、重物的动能及整个回路的内能,根据能量守恒求出整个回路产生的焦耳热,根据串联电路电流关系,求出电阻R中产生的焦耳热QR;
(3)当回路中总磁通量不变时,金属棒中不产生感应电流,此时棒将导轨做匀加速运动.根据磁通量不变,列式求B与t的关系式.

解答 解:(1)对金属棒:受力分析可知T-mg-F=0
式中:$T=3mg\;\;\;\;\;\;\;\;F={B_0}IL=\frac{{{B_0}^2{L^2}v}}{R+r}$
所以:$v=\frac{2mg(R+r)}{{{B_0}^2{L^2}}}$
(2)设电路中产生的总焦耳热为Q,则有能量守恒关系得减少的重力势能等于增加的动能和焦耳热Q;
即:$3mgh-mgh=\frac{1}{2}(3m){v^2}+\frac{1}{2}m{v^2}+Q$
所以:电阻R中产生的焦耳热QR为${Q_R}=\frac{R}{R+r}Q$=$\frac{2mghR}{R+r}-\frac{{8{m^3}{g^2}(R+r)R}}{{{B_0}^4{L^4}}}$
(3)金属杆中恰好不产生感应电流,即磁通量不变,所以:hLB0=(h+h2)LBt,式中:${h_2}=\frac{1}{2}a{t^2}$
又:$a=\frac{3mg-mg}{3m+m}=\frac{1}{2}g$
则磁感应强度B怎样随时间t变化为  ${B_t}=\frac{{{B_0}h}}{{h+{v_0}t+\frac{g}{4}{t^2}}}$
答:(1)重物匀速下降的速度是$\frac{2mg(R+r)}{{{B}_{0}}^{2}{L}^{2}}$;
(2)重物从释放到下降h的过程中,电阻R中产生的焦耳热是$\frac{2mghR}{R+r}-\frac{{8{m^3}{g^2}(R+r)R}}{{{B_0}^4{L^4}}}$;
(3)B与t的关系式为${B_t}=\frac{{{B_0}h}}{{h+{v_0}t+\frac{g}{4}{t^2}}}$.

点评 本题分别从力和能量两个角度研究电磁感应现象,关键是计算安培力和分析能量如何变化,以及把握没有感应电流产生的条件.

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