题目内容

【题目】如图所示,两根竖直放置的平行光滑金属导轨,上端接阻值R=3 Ω的定值电阻.水平虚线A1、A2间有与导轨平面垂直的匀强磁场B,磁场区域的高度为d=0.3 m.导体棒a的质量ma=0.2 kg,电阻Ra=3 Ω;导体棒b的质量mb=0.1 kg,电阻Rb=6 Ω.它们分别从图中P、Q处同时由静止开始在导轨上无摩擦向下滑动,且都能匀速穿过磁场区域,当b刚穿出磁场时a正好进入磁场.设重力加速度为g=10 m/s2,不计a、b之间的作用,整个过程中a、b棒始终与金属导轨接触良好,导轨电阻忽略不计.求:

(1)在整个过程中,a、b两棒克服安培力做的功分别是多少;

(2)a、b棒进入磁场的速度大小;

(3)分别求出P点和Q点距A1的高度.

【答案】(1)0.6J,0.3J (2)4m/s,3m/s (3)0.8m,0.45m

【解析】

(1)导体棒只有通过磁场时才受到安培力,因两棒均匀速通过磁场,由能量关系知,克服安培力做的功与重力功相等,有

(2)设b棒在磁场中匀速运动的速度为,此时b棒相当于电源,a棒与电阻R并联,此时整个电路的总电阻为,

b棒中的电流为

根据平衡条件有:

设a棒在磁场中匀速运动时速度为,此时a棒相当于电源,b棒与电阻R并联,此时整个电路的总电阻为.

a棒中的电流为

根据平衡条件有:

解得,设b棒在磁场中运动的时间为t,有

因b刚穿出磁场时a正好进入磁场,则

解得,

(3)设P点和Q点距A1的高度分别为,两棒在进入磁场前均做自由落体运动,有:

解得,.

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