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如图所示,两根足够长、电阻不计、间距为d的光滑平行金属导轨,其所在平面与水平面的夹角为θ,导轨平面内的矩形区域abcd内存在有界匀强磁场,磁感应强度大小为B,方向垂直于

网友投稿  2022-10-29 00:00:00  互联网

◎ 题目

如图所示,两根足够长、电阻不计、间距为d的光滑平行金属导轨,其所在平面与水平面的夹角为θ,导轨平面内的矩形区域abcd内存在有界匀强磁场,磁感应强度大小为B,方向垂直于导轨平面向上,ab与cd之间相距为L,金属杆甲、乙的阻值相同,质量均为m,甲杆在磁场区域的上边界ab处,乙杆在甲杆上方与甲相距L处,甲、乙两杆都与导轨垂直.静止释放两杆的同时,在甲杆上施加一个垂直于杆平行于导轨的外力F,使甲杆在有磁场的矩形区域内向下做匀加速直线运动,加速度大小为a=2gsin θ,甲离开磁场时撤去F,乙杆进入磁场后恰好做匀速运动,然后离开磁场.

(1)求每根金属杆的电阻R.
(2)从释放金属杆开始计时,求外力F随时间t变化的关系式,并说明F的方向.
(3)若整个过程中,乙金属杆共产生热量Q,求外力F对甲金属杆做的功W.

◎ 答案

(1) 
(2)mgsin θ+mgsin θ·t(0≤t≤),方向垂直于杆且平行于导轨向下
(3)W=2Q

◎ 解析

(1)设甲在磁场区域abcd内运动的时间为t1,乙从释放到运动至ab位置的时间为t2,则L=·2gsin θ·t
L=gsin θ·t
所以t1,t2
因t1<t2,所以甲离开磁场时,乙还没有进入磁场
设乙进入磁场时的速度为v1,乙中的感应电动势为E1,回路中的电流为I1,则有
mv=mgLsin θ,E1=Bdv1,I1,mgsin θ=BI1d
联立解得R=.
(2)从释放金属杆开始计时,设经过时间t,甲的速度为v,甲中的感应电动势为E,回路中的电流为I,则v=at,E=Bdv,I=,F+mgsin θ-BId=ma
联立解得F=mgsin θ+mgsin θ·t(0≤t≤)
方向垂直于杆且平行于导轨向下.
(3)甲在磁场中运动过程中,乙没有进入磁场,设甲离开磁场时速度为v0,甲、乙产生的热量相同,设为Q1,则v=2aL
由功能关系知W+mgLsin θ=2Q1mv
解得W=2Q1+mgLsin θ
乙在磁场中运动过程中,甲、乙产生相同的热量,设为Q2,则2Q2=mgLsin θ
根据题意有Q=Q1+Q2
联立解得W=2Q.

◎ 知识点

    专家分析,试题“如图所示,两根足够长、电阻不计、间距为d的光滑平行金属导轨,其所在平面与水平面的夹角为θ,导轨平面内的矩形区域abcd内存在有界匀强磁场,磁感应强度大小为B,方向垂直于…”主要考查了你对  【牛顿第二定律】  等知识点的理解和应用能力。关于这些知识点的“档案”,你可以点击相应的链接进行查看和学习。



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