题目内容

如图(甲)所示,两光滑导轨都由水平、倾斜两部分圆滑对接而成,相互平行放置,两导轨相距L=lm,倾斜导轨与水平面成=30°角,倾斜导轨的下面部分处在一垂直斜面的匀强磁场区I中,I区中磁场的磁感应强度B1随时间变化的规律如图(乙)所示,图中t1、t2未知.水平导轨足够长,其左端接有理想的灵敏电流计G和定值电阻R=3 Ω,水平导轨处在一竖直向上的匀强磁场区Ⅱ中,Ⅱ区中的磁场恒定不变,磁感应强度大小为B2=1 T,在t=0时刻,从斜轨上磁场I区外某处垂直于导轨水平释放一金属棒ab,棒的质量m=0.1 kg,电阻r=2 Ω,棒下滑时与导轨保持良好接触,棒由斜轨滑向水平轨时无机械能损失,导轨的电阻不计.若棒在斜面上向下滑动的整个过程中,灵敏电流计G的示数大小保持不变,t2时刻进入水平轨道,立刻对棒施一平行于框架平面沿水平方向且与杆垂直的外力.(g取10 m/s2)求∶

(1)磁场区I在沿斜轨方向上的宽度d;

(2)棒从开始运动到刚好进入水平轨道这段时间内ab棒上产生的热量;

(3)若棒在t2时刻进入水平导轨后,电流计G的电流大小I随时间t变化的关系如图(丙)所示(I0未知),已知t2到t3的时间为0.5 s,t3到t4的时间为1 s,请在图(丁)中作出t2到t4时间内外力大小F随时间t变化的函数图像.

答案:
解析:

  (1)电流表的示数不变,说明在整个下滑过程中回路的的电动势是不变的,说明在B变化时和不变时感应电动势大小一样,所以可以判断在t1时刻棒刚好进入磁场区域且做匀速直线运动.

  mgsin-BIL=0,,E1=BLV,代入数值得v=2.5 m/s

  没进入磁场以前做匀加速直线运动,加速度是a=gsin30°=5 m/s2,v=at,t1=0.5 s,下滑的距离是s1=at2=0.625 m,再没进入磁场以前,由于B均匀变化,所以E2=,

  又E1=BLV E1=E2,41d=112.5,d=0.625 m

  (2)ab棒进入磁场以前,棒上产生的热量为Q1=I2rt1=0.52×2×0.5 J=0.25 J

  取ab棒在斜轨磁场中运动为研究过程,mgdsin-Q2=0 Q2=0.3125 J.

  此时,棒上产生的热量是Q2r==0.125 J

  则棒上产生的总热量是Qr=Q1+Q2r=0.375 J

  或∶Qr=I2R(t1+t2)=0.52×2×(0.5+0.25)J=0.375 J

  (3)因为E=BLv,所以刚进水平轨道时时的电动势是E=2.5 V,I0==0.5 A

  取t2时刻为零时刻,则根据图线可以写出I-t的方程式∶I=0.5-,I=,

  则v=2.5-5 ,所以a1=5 m/s2.有牛顿第二定律可得∶F+BIL=ma1,F=

  画在坐标系里.

  由丙图可以同理得出棒运动的加速度大小是a2=2.5 m/s2,依据牛顿定律得F-BIL=ma2

  取t3时刻为零时刻,可以写出t3时刻后的I与时间的关系式,I=0.5 t,代入上面的式子可以得到F=0.25+0.5 t画在坐标系里.(图中图线作为参考)


练习册系列答案
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(1)关于测量数据1.035cm,以下说法正确的是
BC
BC

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(2)光电计时器是一种研究物体运动情况的常用计时仪器,其面板结构如图(甲)所示,a、b分别是光电门的激光发射和接收装置,当有物体从a、b间通过时,光电计时器就可以显示物体的挡光时间.现用图(乙)所示装置做“利用自由落体运动验证机械能守恒定律”的实验,图中1为小钢球,2和3是固定在铁架台适当位置的两个光电门,与之连接的两个光电计时器没有画出.让小钢球从两个光电门正上方某高度处自由落下,光电门2和3各自连接的计时器显示的挡光时间分别为5.0×10-2s和2.0×10-2s.用游标卡尺测量小钢球的直径
d,此时卡尺游标部分如图(丙)所示

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5.015
5.015
cm.
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小钢球通过光电门2中心的速度v1=
1.0
1.0
m/s,小钢球通过光电门3中心的速度v2=
2.5
2.5
m/s.(保留两位有效数字)
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C
C
(选填下列选项).
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B.重力加速度g
C.光电门2中心到3中心的高度h
D.小钢球通过光电门2中心到3中心的时间△t 
④要验证的表达式
mgh=
1
2
mv
2
2
-
1
2
mv
2
1
mgh=
1
2
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2
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-
1
2
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2
1
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增大
增大
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增大
增大
.(以上两格填写“增加”“减小”“先增大后减小”“先减小后增大”或“不变”).
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90
90
N.

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