题目内容

13.如图所示,MNPQ是用单位长度电阻为r0的均匀金属条制成的矩形闭合框,线框固定在倾角为θ的绝缘斜面上,MN长为L,MQ长为4L,有一磁感应强度为B的匀强磁场垂直穿过斜面.质量为m的金属杆ab在外力F作用下,以速度v匀速沿斜面向下滑过矩形框,滑行过程中ab始终平行于MN且与框良好接触,外力F始终沿斜面且垂直于ab.已知金属杆ab的单位长度电阻为2.1r0,不计杆与框的摩擦.重力加速度取g,将杆ab经过MN时的位移记为s=0,求:
(1)杆ab中感应电流I随位移s变化的关系式;
(2)杆ab发热功率的最小值;
(3)矩形框MNPQ上发热功率最大时ab杆的位移;
(4)杆ab在矩形框MNPQ上滑动过程中外力F的变化情况.

分析 (1)金属杆ab以速度v匀速沿斜面向下滑,切割磁感线相当于电源,其电动势和内阻均不变;均匀金属框上下两部分为两个并联的外电阻,随位移动态变化,分析并联值为先增大后减小,由闭合电路的欧姆定律可以算出感应电流.
(2)外电阻最大时感应电流最小,杆ab发热功率的最小.
(3)矩形框MNPQ上发热功率最大,即外电路功率最大;当R外=r时,外电路功率最大.
(4)因为电路总电阻先增大后减小,所以总电流先减小后增大;金属杆ab以速度v匀速沿斜面向下滑,受力平衡,考虑到重力沿斜面分力与安培力大小关系不确定,最后结论需分区间讨论.

解答 解:(1)金属杆ab以速度v匀速沿斜面向下滑,切割磁感线相当于电源,感应电动势E=BLv,内电阻r=2.1Lr0.
外电路被ab分为上下两部分,R=$\frac{{R}_{上}{R}_{下}}{{R}_{上}+{R}_{下}}$=$\frac{(L+2s)(9L-2s)}{10L}$r0
I=$\frac{E}{R+r}$=$\frac{BLv}{\frac{(L+2s)(9L-2s)}{10L}{r}_{0}+2.1L{r}_{0}}$=$\frac{5B{L}^{2}v}{(15{L}^{2}+8sL-2{s}^{2}){r}_{0}}$
(2)外电路电阻最大时,感应电流最小,ab发热功率最小.
因为R上+R下为常数,所以当R上=R下时R有最大值,即位移s=2L
此时R外=$\frac{{R}_{上}{R}_{下}}{{R}_{上}+{R}_{下}}$=$\frac{5L×5L}{10L}$r0=2.5Lr0,Pab=I2r=($\frac{E}{R+r}$)2 r=$\frac{105{B}^{2}L{v}^{2}}{1058{r}_{0}}$
(3)矩形框的功率即电路的输出功率,P出=I2R=($\frac{E}{R+r}$)2×R=$\frac{{E}^{2}}{\frac{(R-r)^{2}}{R}+4r}$
当R=r时,分母有最小值,输出功率最大.
R=r,即=$\frac{(L+2s)(9L-2s)}{10L}$r0=2.1Lr0,可解得s1=L,s2=3L
(4)电流先减小后增大,FA先减小后增大
在ab滑过框架的过程中,Rmin=$\frac{L×9L}{10L}$r0=0.9 Lr0,R总min=3Lr0,FAmax=$\frac{{B}^{2}Lv}{3{r}_{0}}$
当ab在MQ中点时,Rmax=2.5 Lr0,R总max=4.6Lr0,FAmin=$\frac{5{B}^{2}Lv}{23{r}_{0}}$
①若mgsinθ≥$\frac{{B}^{2}Lv}{3{r}_{0}}$,则外力F向上,先增大后减小;
②若mgsinθ≤$\frac{5{B}^{2}Lv}{23{r}_{0}}$,则外力F向下,先减小后增大;
③若$\frac{5{B}^{2}Lv}{23{r}_{0}}$<mgsinθ<$\frac{{B}^{2}Lv}{3{r}_{0}}$,则外力F先向下减小后向上增大,再先向上减小后向下增大.
答:(1)杆ab中感应电流I随位移s变化的关系式为 I=$\frac{5B{L}^{2}v}{(15{L}^{2}+8sL-2{s}^{2}){r}_{0}}$;
(2)杆ab发热功率的最小值为 $\frac{105{B}^{2}L{v}^{2}}{1058{r}_{0}}$;
(3)矩形框MNPQ上发热功率最大时ab杆的位移s1=L或s2=3L;
(4)①若mgsinθ≥$\frac{{B}^{2}Lv}{3{r}_{0}}$,则外力F向上,先增大后减小;
②若mgsinθ≤$\frac{5{B}^{2}Lv}{23{r}_{0}}$,则外力F向下,先减小后增大;
③若$\frac{5{B}^{2}Lv}{23{r}_{0}}$<mgsinθ<$\frac{{B}^{2}Lv}{3{r}_{0}}$,则外力F先向下减小后向上增大,再先向上减小后向下增大.

点评 注意:金属框上下两部分为两个并联的外电阻,随位移动态变化,分析并联电阻值为先增大后减小;外电路功率最大时,应满足R外=r;重力沿斜面分力与安培力大小关系不确定,最后一问结论要分区间讨论,该部分易错.

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