如图(甲)所示,MN、PQ为水平放置的足够长的平行光滑导轨,导轨间距L为0.5m,导轨左端连接一个阻值为2Ω的定值电阻R,将一根质量为0.2kg的金属棒cd垂直

如图(甲)所示,MN、PQ为水平放置的足够长的平行光滑导轨,导轨间距L为0.5m,导轨左端连接一个阻值为2Ω的定值电阻R,将一根质量为0.2kg的金属棒cd垂直

题型:不详难度:来源:
如图(甲)所示,MN、PQ为水平放置的足够长的平行光滑导轨,导轨间距L为0.5m,导轨左端连接一个阻值为2Ω的定值电阻R,将一根质量为0.2kg的金属棒cd垂直放置在导轨上,且与导轨接触良好,金属棒cd的电阻r=2Ω,导轨电阻不计,整个装置处于垂直导轨平面向下的匀强磁场中,磁感应强度B=2T.若棒以1m/s的初速度向右运动,同时对棒施加水平向右的拉力F作用,并保持拉力的功率恒为4W,从此时开始计时,经过2s金属棒的速度稳定不变,图(乙)为安培力与时间的关系图象.试求:

(1)金属棒的最大速度;
(2)金属棒的速度为3m/s时的加速度;
(3)求从开始计时起2s内电阻R上产生的电热.
答案
(1)金属棒速度最大时,所受合外力为零,即BIL=F.
而P=Fvm,I=
BLvm
R+r

解出vm=


P(R+r)
BL
=


4×(2×2)
2×0.5
m/s=4m/s.
(2)速度为3m/s时,感应电动势E=BLv=2×0.5×3V=3V.
电流I=
E
R+r
,F=BIL
金属棒受到的拉力F=
P
v
=
4
3
N

根据牛顿第二定律F-F=ma
解得a=
F-F
m
=
4
3
-
3
4
0.2
m/s2=
35
12
m/s2

(3)在此过程中,由动能定理得,
Pt+W=
1
2
mvm2-
1
2
mv02

W=-6.5J
QR=
-W
2
=3.25J

答:(1)金属棒的最大速度为4m/s.
(2)金属棒的速度为3m/s时的加速度为
35
12
m/s2

(3)从开始计时起2s内电阻R上产生的电热为3.25J.
举一反三
如图所示,位于同一水平面内的,两根平行的光滑金属导轨,处在匀强磁场中,磁场方向垂直于导轨所在平面,导轨的一端与一电阻相连,具有一定质量的金属杆ab放在导轨上并与导轨垂直,当磁场的磁感应强度B随时间t如图变化时(规定垂直纸面向里的磁场方向为正),用一平行于导轨的力F向左或向右拉杆ab,使它保持静止.若规定由a→b方向通过杆的感应电流为正,向右的拉力为正,则能反映通过杆的感应电流I和拉力F随时间t变化的图线是(  )
A.B.C.D.

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如图所示,一个质量为m=0.01kg,边长L=0.1m,电阻R=0.4Ω的正方形导体线框abcd,从高h=0.8m的高处由静止自由下落,下落时线框平面始终在竖直平面内,且保持与水平磁场方向垂直,当线框下边bc刚一进入下方的有界匀强磁场时,恰好做匀速运动(不计空气阻力,g=10m/s2
(1)磁场的磁感应强度B的大小.
(2)如果线圈的下边bc通过磁场所经历的时间为t=0.125s,求bc边刚从磁场下边穿出时线框的加速度大小.(d>L)
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如图所示,电阻不计足够长的光滑平行金属导轨与水平面夹角θ=30°,导轨间距l,所在平面的正方形区域abcd内存在有界匀强磁场,磁感应强度为B=0.2T,方向垂直斜面向上.甲、乙金属杆质量均为m=0.02kg、电阻相同,甲金属杆处在磁场的上边界,乙金属杆距甲也为l,其中l=0.4m.同时无初速释放两金属杆,此刻在甲金属杆上施加一个沿着导轨的外力F,保持甲金属杆在运动过程中始终与乙金属杆未进入磁场时的加速度相同.且乙金属杆进入磁场后恰能做匀速直线运动,(取g=10m/s2
(1)计算乙的电阻R.
(2)以刚释放两杆时作为零时刻,写出从开始到甲金属杆离开磁场的过程中,外力F随时间t的变化关系,并说明F的方向.
(3)若从开始释放到乙金属杆离开磁场,乙金属杆中共产生热量Q=
1
30
J,试求此过程中外力F对甲做的功.
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如图所示,直角三角形ABC是由同种金属材料制成的线框,线框位于跟有界匀强磁场垂直的平面内.现用外力将线框ABC匀速向右拉进磁场,至AB边进入磁场前,设线框中产生的感应电动势为E、AB两点间的电势差为U、线框受安培力的合力为F、回路中消耗的电功率为P,则与这一过程相符合的各物理量与图示位移的关系图象是(  )
A.B.C.D.

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如图所示,小灯泡的规格为“4V 4W”,接在两光滑水平导轨的左端,导轨间距L=0.5m,电阻不计.金属棒ab垂直搁置在导轨上,电阻r为1Ω,整个装置处于垂直于纸面向里的匀强磁场中,磁感应强度B为1T.为使小灯泡正常发光,求:
(1)金属棒ab匀速滑行的速率;
(2)拉动金属棒ab的外力的功率.
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