28、如图所示,两根正对的平行金属直轨道MN、M´N´位于同一水平面上,两轨道之间的距离l=0.50m,轨道的MM´端之间接一阻值R=0.40Ω的定值电阻,NN´端与两条位于竖直面内的半圆形光滑金属轨道NP、N´P´平滑连接,两半圆轨道的半径均为R0=0.50m.直轨道的右端处于竖直向下、磁感应强度B=0.64 T的匀强磁场中,磁场区域的宽度d=0.80m,且其右边界与NN´重合.现有一质量m=0.20kg、电阻r=0.10Ω的导体杆ab静止在距磁场的左边界s=2.0m处.在与杆垂直的水平恒力F=2.0N的作用下ab杆开始运动,当运动至磁场的左边界时撤去F,结果导体杆ab恰好能以最小速度通过半圆形轨道的最高点PP´.已知导体杆ab在运动过程中与轨道接触良好,且始终与轨道垂直,导体杆ab与直轨道之间的动摩擦因数μ=0.10,轨道的电阻可忽略不计,取g=10m/s2,求:

(1)导体杆刚进入磁场时,通过导体杆上的电流大小和方向;

(2)导体杆穿过磁场的过程中通过电阻R上的电荷量;

(3)导体杆穿过磁场的过程中整个电路中产生的焦耳热

解:(1)设导体杆在F的作用下运动至磁场的左边界时的速度为v1,根据动能定理则有      

 (F-μmg)s=mv12                  (2分)                                  

 导体杆刚进入磁场时产生的感应电动势E=Blv1此时通过导体杆上的电流大小I=E/(R+r)=3.8A(或3.84A)           (1分)

根据右手定则可知,电流方向为由b向a         (1分)

(2)设导体杆在磁场中运动的时间为t,产生的感应电动势的平均值为E平均,则由法拉第电磁感应定律有  E平均=△φ/t=Bld/t       (1分)

通过电阻R的感应电流的平均值 I平均=E平均/(R+r)      (1分)    

通过电阻R的电荷量 q=It=0.512C(或0.51C)        (1分)

(3)设导体杆离开磁场时的速度大小为v2,运动到圆轨道最高点的速度为v3,因导体杆恰好能通过半圆形轨道的最高点,根据牛顿第二定律对导体杆在轨道最高点时有         mg=mv32/R0         (1分)

对于导体杆从NN′运动至PP′的过程,根据机械能守恒定律有

mv22=mv32+mg2R0                (2分)

解得v2=5.0m/s                    (1分)

导体杆穿过磁场的过程中损失的机械能

△E=mv12-mv22=1.1J                (1分)

此过程中电路中产生的焦耳热为   Q=△E-μmgd=0.94J    (2分)  

 0  332307  332315  332321  332325  332331  332333  332337  332343  332345  332351  332357  332361  332363  332367  332373  332375  332381  332385  332387  332391  332393  332397  332399  332401  332402  332403  332405  332406  332407  332409  332411  332415  332417  332421  332423  332427  332433  332435  332441  332445  332447  332451  332457  332463  332465  332471  332475  332477  332483  332487  332493  332501  447090 

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