题目内容

【题目】如图所示,在同一水平面上的两根光滑绝缘轨道,左侧间距为2l,右侧间距为l,有界匀强磁场仅存在于两轨道间,磁场的左右边界(图中虚线)均与轨道垂直。矩形金属线框abcd平放在轨道上,ab边长为l,bc边长为2l。开始时,bc边与磁场左边界的距离为2l,现给金属线框施加一个水平向右的恒定拉力,金属线框由静止开始沿着两根绝缘轨道向右运动,且bc边始终与轨道垂直,从bc边进入磁场直到ad边进入磁场前,线框做匀速运动,从bc边进入右侧窄磁场区域直到ad边完全离开磁场之前,线框又做匀速运动。线框从开始运动到完全离开磁场前的整个过程中产生的热量为Q。问:

(1)线框ad边刚离开磁场时的速度大小是bc边刚进入磁场时的几倍?

(2)磁场左右边界间的距离是多少?

(3)线框从开始运动到完全离开磁场前的最大动能是多少?

【答案】(1)线框ad边刚离开磁场时的速度大小是bc边刚进入磁场时速度的4倍;(2)磁场左右边界间的距离是32l;(3)线框从开始运动到完全离开磁场前的最大动能是Q。

【解析】

(1)设磁感强度为B,设线框总电阻为R,线框受的拉力为F,bc边刚进磁场时的速度为v1,则感应电动势为:

E1=2Blv1

感应电流为:

线框所受安培力为:

F1=2BI1l

线框做匀速运动,其受力平衡,即:F1=F,联立各式得:

设ad边离开磁场之前,线框做匀速运动的速度为v2,同理可得:

所以:

v2=4v1;

(2)bc边进入磁场前,线框做匀加速运动,设加速度为a,bc边到达磁场左边界时,线框的速度为

从ad边进入磁场到bc边刚好进入右侧窄磁场区域的过程中线框的加速度仍为a,由题意可知bc边刚进入右侧窄磁场区域时的速度为:

v2=4v1,

从线框全部进入磁场开始,直到bc边进入右侧窄磁场前,线框做匀加速运动,设位移为s1,则:

将,代入得:

s1=30l

磁场左右边界间的距离为:

s=l+s1+l=32l;

(3)整个过程中,只有拉力F和安培力对线框做功,线框离开磁场之前,动能最大,设最大动能为Ek,由动能定理有:

WF+W安=Ek-0

由:

WF=F(2l+s+l)=35Fl

W安=-F×3l

及

Q=-W安

可知:

线框的最大动能为:

。

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