题目内容

1.如图(a),两相距L=0.5m的平行金属导轨固定于水平面上,导轨左端与阻值R=2Ω的电阻连接,导轨间虚线右侧存在垂直导轨平面的匀强磁场.质量m=0.2kg的金属杆垂直置于导轨上,与导轨接触良好,导轨与金属杆的电阻可忽略.杆在水平向右的恒定拉力作用下由静止开始运动,并始终与导轨垂直,其v-t图象如图(b)所示.在15s时撤去拉力,同时使磁场随时间变化,从而保持杆中电流为0.求:
(1)金属杆所受拉力的大小F;
(2)0-15s内匀强磁场的磁感应强度大小B0;
(3)15-20s内磁感应强度随时间变化规律.

分析 (1)根据金属杆的受力情况,由牛顿第二定律列方程,由v-t求出求出金属杆的加速度,然后求出拉力F.
(2)应用安培力公式求出安培力,然后应用平衡条件求出磁感应强度.
(3)当穿过回路的磁通量不变时不产生感应电流,据此求出磁感应强度的变化规律.

解答 解:(1)由v-t图象可知,在0-10内,金属杆做匀加速直线运动,杆没有进入磁场,
由牛顿第二定律得:F-μmg=ma1,
由题意可知,15s末撤去拉力,没有感应电流,杆不受安培力作用,
杆所受的合外力为滑动摩擦力,由牛顿第二定律得:μmg=ma2,
由v-t图象可知,加速度:a1=$\frac{△{v}_{1}}{△{t}_{1}}$=$\frac{4}{10}$=0.4m/s2,a2=$\frac{△{v}_{2}}{△{t}_{2}}$=$\frac{4}{20-15}$=0.8m/s2,
解得:F=0.24N;
(2)在10-15s内,金属杆做匀速直线运动,速度:v=4m/s,
金属杆受到的安培力:F安培=B0IL=$\frac{{B}_{0}^{2}{L}^{2}v}{R}$,
金属杆做匀速直线运动,处于平衡状态,
由平衡条件得:F=μmg+$\frac{{B}_{0}^{2}{L}^{2}v}{R}$,代入数据解得:B0=0.4T;
(3)15-20s内部产生感应电流,穿过回路的磁通量保持不变,
金属杆在10-15s内的位移:d=vt=4×5=20m,
在15s后的金属杆的加速度:a=a2=0.8m/s2,
金属杆的位移:x=v(t-15)-$\frac{1}{2}$a(t-15)2=4(t-15)-0.4(t-15)2,
磁通量保持不变,则:B0Ld=BL(d+x),
解得:B=$\frac{20}{50-(t-15)(t-25)}$T;
答:(1)金属杆所受拉力的大小F为0.24N;
(2)0-15s内匀强磁场的磁感应强度大小B0为0.4T;
(3)15-20s内磁感应强度随时间变化规律为:B=$\frac{20}{50-(t-15)(t-25)}$T.

点评 本题是电磁感应与力学相结合的综合题,知道感应电流产生的条件、应用牛顿第二定律、安培力公式、运动学公式即可正确解题.

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