题目内容

18.如图所示,平行光滑金属导轨AA1和CC1与水平地面之间的夹角均为θ,两导轨间距为L,A,C两点间连接有阻值为R的电阻,一根质量为m,电阻为r的直导体棒EF跨在导轨上,两端与导轨接触良好.在边界ab,cd之间存在垂直导轨平面的匀强磁场,磁场的磁感应强度为B,ab和cd与导轨垂直,将导体棒EF从图示位置由静止释放,EF进入磁场就开始匀速运动,穿过磁场过程中电阻R产生的热量为Q,整个运动过程中,导体棒EF与导轨始终垂直且接触良好,除R和r之外,其余电阻不计,取重力加速度为g.
(1)求导体棒EF刚进入磁场时的速率;
(2)求磁场区域的宽度s;
(3)将磁感应强度变为$\frac{B}{2}$,仍让导体棒EF从图示位置由静止释放,若导体棒离开磁场前后瞬间的加速度大小之比为1:2,求导体棒通过磁场的时间.

分析 (1)EF进入磁场做匀速运动,所以受力平衡,根据法拉第电磁感应定律E=BLv和闭合电路欧姆定律,联立即可求解;
(2)对导体棒穿过磁场的过程运用动能定理,再结合电热分配与电阻的关系,联立即可;
(3)对导体棒离开磁场前后瞬间分别运用牛顿第二定律,二者联立可求出导体棒离开磁场时的速度v2,进而求出导体棒穿过磁场过程中速度的变化量△v,再根据电量公式q=n$\frac{△φ}{{R}_{总}}$求出导体棒穿过磁场过程中流过的电荷量q,金属棒在磁场中做加速度逐渐减小的变加速直线运动,微分过程为n个时间极短的小过程,再利用动量定理结合积分求和的思想,即可求解金属棒在磁场中运动的时间t.

解答 解:(1)设导体棒EF刚进入磁场时的速率为v1,
根据EF进入磁场后受力平衡可得:mgsinθ=BIL ①
闭合电路欧姆定律得:E=I(R+r) ②
导体棒切割磁场产生的感应电动势:E=BLv1 ③
联立①②③式得:v1=$\frac{mg(R+r)sinθ}{{B}^{2}{L}^{2}}$ ④
(2)对导体棒穿过磁场的过程运用动能定理得:mgs•sinθ-W安=0 ⑤
根据电磁感应能量转化关系得:Q=$\frac{R}{R+r}$W安 ⑥
联立⑤⑥可得:s=$\frac{(R+r)Q}{mgRsinθ}$
(3)设导体棒EF穿出磁场时的速率为v2,导体棒通过磁场的时间为t
根据牛顿第二定律可得:
离开磁场前:mgsinθ-$\frac{(\frac{B}{2})^{2}{L}^{2}{v}_{2}}{R+r}$=ma ⑦
离开磁场后:mgsinθ=m•2a ⑧
解得:v2=$\frac{2mg(R+r)sinθ}{{B}^{2}{L}^{2}}$ ⑨
联立④⑨式.可得棒穿过磁场的速度变化量:△v=v2-v1=$\frac{mg(R+r)sinθ}{{B}^{2}{L}^{2}}$ ⑩
电流定义式:q=$\overline{I}$△t⑪
闭合电路欧姆定律:$\overline{I}$=$\frac{\overline{E}}{R+r}$⑫
法拉第电磁感应定律:$\overline{E}$=n$\frac{△φ}{△t}$⑬
导体棒穿过磁场过程磁通量的变化量:△φ=$\frac{B}{2}$Ls⑭
联立⑪⑫⑬⑭式,可得导体棒进入磁场到匀速过程流过的电荷量:q=$\frac{BLs}{R+r}$⑮
将导体棒穿过磁场的过程分成n个时间极短的小过程,每个小过程的时间均为△t,则n△t=t;
因为△t极短,所以每个小过程的电流为定值,设其大小分别为I1,I2,I3,…In,对应过程的加速度大小分别为a1,a2,a3,…an;
针对每一个小过程对导体棒运用定量定理可得:
第1个小过程:mgsinθ•△t-$\frac{B}{2}$LI1△t=ma1△t
第2个小过程:mgsinθ•△t-$\frac{B}{2}$LI2△t=ma2△t
第3个小过程:mgsinθ•△t-$\frac{B}{2}$LI3△t=ma3△t
…
第n个小过程:mgsinθ•△t-$\frac{B}{2}$LIn△t=man△t
将上述n个式子做和可得:mgsinθ•t-$\frac{B}{2}$L(I1△t+I2△t+I3△t+…+In△t)=m(a1△t+a2△t+a3△t+…+an△t)⑯
其中:I1△t+I2△t+I3△t+…+In△t=q⑰
a1△t+a2△t+a3△t+…+an△t=△v⑱
将⑰⑱代入⑯式得:mgsinθ•t-$\frac{B}{2}$Lq=m△v⑲
联立⑩⑮⑲式得:t=$\frac{m(R+r)}{{B}^{2}{L}^{2}}-\frac{{B}^{2}{L}^{2}Q}{4{m}^{2}{g}^{2}Rsi{n}^{2}θ}$
答:(1)求导体棒EF刚进入磁场时的速率为$\frac{mg(R+r)sinθ}{{B}^{2}{L}^{2}}$;
(2)求磁场区域的宽度为$\frac{(R+r)Q}{mgRsinθ}$;
(3)将磁感应强度变为$\frac{B}{2}$,仍让导体棒EF从图示位置由静止释放,若导体棒离开磁场前后瞬间的加速度大小之比为1:2,导体棒通过磁场的时间为$\frac{m(R+r)}{{B}^{2}{L}^{2}}-\frac{{B}^{2}{L}^{2}Q}{4{m}^{2}{g}^{2}Rsi{n}^{2}θ}$.

点评 本题考查导体棒切割磁场的力电综合问题,注意根据其运动形式选择相应的规律解决,前两问难度不大;第三问先微分再积分求和,大家注意理解积分的物理意义,即:求解图象与横轴围成的面积;⑰⑱两式可以用I-t图象和a-t图象与t轴围成的下面积去理解,I-t图象与t轴围成的下面积表示流过的电量,a-t图象与t轴围成的下面积表示速度的变化量.

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