题目内容

【题目】如图所示,光滑平行导轨MN、M′N′固定在水平面内,左端MM′接有一个R=2Ω的定值电阻,右端与均处于竖直面内的半圆形光滑金属轨道NP、N′P′平滑连接于N、N′点,且半圆轨道的半径均为r=0.5m,导轨间距L=1m,水平轨道的AMN′A′的矩形区域内有竖直向下的匀强磁场,磁场区域的宽度d=1m,一个质量为m=0.2kg,电阻R0=0.5Ω,长也为1m的导体棒ab放置在水平导轨上距磁场左边界S处,在与棒垂直、大小为2N的水平恒力F的作用下从静止开始运动,导体棒运动过程中始终与导轨垂直并与导轨接触良好,导体棒进入磁场后做匀速运动,当导体棒运动至NN′时撤去F,结果导体棒ab恰好能运动到半圆形轨道的最高点PP′,重力加速度g=10m/s2。求:

(1)匀强磁场磁感应强度B的大小及S的大小;

(2)若导体棒运动到AA′吋时撤去拉力,试判断导体棒能不能运动到半圆轨道上,如果不能说明理由,如果能,试判断导体棒沿半圆轨道运动时会不会离开轨道;

(3)在(2)问中最终电阻R中产生的焦耳热。

【答案】(1) , (2)不会离开半圆轨道(3)

【解析】

(1)金属棒在磁场中匀速运动,则所受的拉力F与安培力平衡;金属导体棒恰好能运动到半圆轨道的最高点,则重力等于向心力;结合动能定理以及机械能守恒定律列式可求解B和s的大小;

(2)若导体棒运动到AA′时撤去拉力,物块以v1=5m/s的速度进入磁场,假设物块能穿过磁场区域,根据动量定理列式求解穿过磁场的速度即可判断;导体棒能进入半圆轨道,根据圆周运动恰能经过最高点的临界条件判断能否达到最高点;

(3)根据动量定理求解导体棒向左穿过磁场后的速度;根据能量守恒定律求解定值电阻上的焦耳热。

(1)设金属棒在磁场中匀速运动的速度为v1,则导体棒产生的电动势:E=BLv1

回路的电流

根据力的平衡:F=BIL;

设金属导体棒恰好能运动到半圆轨道的最高点时速度大小为v2,根据牛顿第二定律可知:mg=m

根据机械能守恒定律:

解得B=1T,v1=5m/s

根据动能定理:

解得s=1.25m

(2)若导体棒运动到AA′时撤去拉力,物块以v1=5m/s的速度进入磁场,假设物块能穿过磁场区域,穿过磁场区域时的速度大小为v3,根据动量定理有:

即

解得v3=3m/s

假设成立,导体棒能运动到半圆轨道上;

设导体棒在半圆轨道上运动时不会离开轨道,设导体棒在半圆轨道上上升的最大高度为h,根据机械能守恒定律:

解得h=0.45m

由于h<r假设成立,即导体棒在半圆轨道上运动时不会离开半圆轨道;

(3)在(2)问中,根据机械能守恒定律可知,导体棒从圆弧轨道上下滑后,以大小为v4=3m/s的速度再次进入磁场,设导体棒向左穿过磁场后的速度v5,根据动量定理:

解得v5=1m/s

整个过程中由能量守恒关系可知,回路中产生的焦耳热:

则定值电阻R上的热量为:

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