题目内容

18.如图所示,有一区域足够大的匀强磁场,磁感应强度为B,磁场方向与水平放置的导轨垂直.导轨宽度为L,右端接有电阻R.MN是一根质量为m的金属棒,金属棒与导轨垂直放置,且接触良好,金属棒与导轨电阻均不计.金属棒与导轨间的动摩擦因数为μ,现给金属棒一水平初速度v0,使它沿导轨向左运动.已知金属棒停止运动时位移为s.求:
(1)金属棒速度为v时所受安培力;
(2)金属棒速度为v时的加速度大小;
(3)金属棒运动过程中通过电阻R的电量q;
(4)金属棒运动过程中回路产生的焦耳热Q.

分析 (1)金属棒沿导轨向左运动,切割磁感线产生感应电流,金属棒受到安培力.由E=BLv求出感应电动势,由欧姆定律求得感应电流,再由F=BIL求解安培力.
(2)可由牛顿第二定律求出加速度.
(3)根据法拉第电磁感应定律、欧姆定律和电流的定义式结合求解电量q.
(4)由能量守恒定律研究热量

解答 解:(1)金属棒速度为v时,产生的感应电动势:E=BLv
感应电流为:I=$\frac{E}{R}$
金属棒所受安培力:F=BIL
联立解得:F=$\frac{{B}^{2}{L}^{2}v}{R}$,方向为:水平向右.
(2)金属棒做减速运动,由牛顿第二定律得:
 F+μmg=ma                 
代入解得:a=μg+$\frac{{B}^{2}{L}^{2}v}{mR}$
(3)整个过程通过电阻R的电荷量为:q=$\overline{I}$△t=$\frac{\overline{E}}{R}△t$=$\frac{△Φ}{R}$=$\frac{BLs}{R}$
(4)根据能量守恒定律得,回路产生的焦耳热为:Q=$\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$-μmgs
答:
(1)金属棒速度为v时所受安培力大小为$\frac{{B}^{2}{L}^{2}v}{R}$,方向水平向右.
(2)金属棒速度为v时的加速度大小为μg+$\frac{{B}^{2}{L}^{2}v}{mR}$.
(3)金属棒运动过程中通过电阻R的电量q为$\frac{BLs}{R}$.
(4)金属棒运动过程中回路产生的焦耳热Q为$\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$-μmgs.

点评 解决本题的关键是熟练推导安培力的表达式F=$\frac{{B}^{2}{L}^{2}v}{R}$和电量的表达式q=$\frac{△Φ}{R}$.对于热量,往往根据能量守恒求解.

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