题目内容
1.(1)金属棒进入磁场Ⅰ时的速度大小
(2)金属棒从开始静止到磁场Ⅱ中达到稳定状态这段时间中电阻R产生的热量.
(3)求金属棒从开始静止到在磁场Ⅱ中达到稳定状态所经过的时间.
分析 (1)导体棒做匀速直线运动,处于平衡状态,由安培力公式及平衡条件可以求出棒离开下边界时的速度.
(2)由能量守恒定律可以求出金属棒产生的焦耳热.
(3)ab棒在磁场中先做加速度减小的变加速运动,后做匀速运动,由牛顿第二定律和加速度定义式结合求解时间.
解答 解:(1)设棒在到达磁场边界ab时的速度为v.导体棒切割磁感线产生的感应电动势为:E=B0Lv
电路中的感应电流为:I=$\frac{E}{R+r}$
导体棒做匀速直线运动,由平衡条件得:mg-B0IL=0,
解得:v=$\frac{mg(R+r)}{{B}_{0}^{2}{L}^{2}}$=$\frac{1×10×(0.2+0.2)}{{1}^{2}×{1}^{2}}$=4m/s;
(2)设棒在到达磁场边界ef时的速度为v′.导体棒切割磁感线产生的感应电动势为:E′=B1Lv′
电路中的感应电流为:I′=$\frac{E′}{R+r}$
导体棒做匀速直线运动,由平衡条件得:mg-B1I′L=0,
解得:v′=$\frac{mg(R+r)}{{B}_{1}^{2}{L}^{2}}$=$\frac{1×10×(0.2+0.2)}{{0.5}^{2}×{1}^{2}}$=16m/s;
设整个电路产生的焦耳热是Q,由能量守恒定律可得:mg•d=Q+$\frac{1}{2}mv{′}^{2}$,
由于棒与R的电阻值相等,所以产生的焦耳热相等,在棒通过磁场区的过程中R产生的焦耳热 QR=$\frac{1}{2}$Q,
解得:QR=20 J
(3)金属棒在磁场上方运动的时间:${t}_{0}=\frac{v}{g}=\frac{4}{10}=0.4$s
棒在磁场Ⅰ中运动的时间:${t}_{1}=\frac{{x}_{1}}{v}=\frac{1}{4}=0.25$s
棒刚进入磁场Ⅱ时的速度为:v=4 m/s
设棒在磁场中运动速度为v时加速度为a,则由于:mg-B1IL=ma
又I=$\frac{{B}_{1}Lv}{R+r}$,a=$\frac{△v}{△t}$
可得:mg-$\frac{{B}_{1}^{2}{L}^{2}v}{R+r}$=m$\frac{△v}{△t}$
变形得:mg△t-$\frac{{B}_{1}^{2}{L}^{2}v}{R+r}•△t$=m△v
两边求和得:$\sum_{\;}^{\;}$mg△t-$\sum_{\;}^{\;}$$\frac{{B}_{1}^{2}{L}^{2}v}{R+r}•△t$=$\sum_{\;}^{\;}$m△v
得:mgt2-$\frac{{B}_{1}^{2}{L}^{2}{x}_{2}}{R+r}$=m(v′-v)
代入解得:t2=2.1375 s
金属棒运动的总时间:t=t0+t1+t2=0.4+0.25+2.1375=2.7875s
答:(1)棒ab在离开磁场下边界时的速度是4m/s;
(2)棒ab在通过磁场区的过程中产生的焦耳热是20J;
(3)ab棒在磁场中运动的时间是2.7875s.
点评 本题最后一问要求非匀变速运动的时间,不能直接运用运动学公式解答,而要运用积分法求解,其切入点是牛顿第二定律和加速度定义式.
| A. | Ff=0 | B. | Ff≠0 | C. | FN增大 | D. | FN减小 |
| A. | 运动员的动能增加了2000J | B. | 运动员的重力势能减少了1800J | ||
| C. | 运动员的机械能增加了1800J | D. | 运动员的机械能减少了200J |
| A. | X星球的质量 | B. | 宇航员在X星球表面的重力 | ||
| C. | X星球的第一宇宙速度 | D. | X星球的同步卫星的线速度 |
| A. | 三个等势面中,P点的电势最高 | B. | 带电质点通过Q点时电势能较大 | ||
| C. | 带电质点通过Q点时动能较大 | D. | 带电质点通过P点时加速度较小 |