如图甲所示,表面绝缘、倾角θ=30°的斜面固定在水平地面上,斜面的顶端固定有弹性挡板,挡板垂直于斜面,并与斜面底边平行。斜面所在空间有一宽度D=0.40m的匀强磁场区域,其

◎ 题目

如图甲所示,表面绝缘、倾角θ=30°的斜面固定在水平地面上,斜面的顶端固定有弹性挡板,挡板垂直于斜面,并与斜面底边平行。斜面所在空间有一宽度D=0.40m的匀强磁场区域,其边界与斜面底边平行,磁场方向垂直斜面向上,磁场上边界到挡板的距离s=0.55m。一个质量m=0.10kg、总电阻R=0.25Ω的单匝矩形闭合金属框abcd,放在斜面的底端,其中ab边与斜面底边重合,ab边长L=0.50m。从t=0时刻开始,线框在垂直cd边沿斜面向上大小恒定的拉力作用下,从静止开始运动,当线框的ab边离开磁场区域时撤去拉力,线框继续向上运动,并与挡板发生碰撞,碰撞过程的时间可忽略不计,且没有机械能损失。线框向上运动过程中速度与时间的关系如图乙所示。已知线框在整个运动过程中始终未脱离斜面,且保持ab边与斜面底边平行,线框与斜面之间的动摩擦因数μ=/3,重力加速度g取10 m/s2
(1)求线框受到的拉力F的大小;
(2)求匀强磁场的磁感应强度B的大小;
(3)已知线框向下运动通过磁场区域过程中的速度v随位移x的变化规律满足v=v0-(式中v0为线框向下运动ab边刚进入磁场时的速度大小,x为线框ab边进入磁场后对磁场上边界的位移大小),求线框在斜面上运动的整个过程中产生的焦耳热Q。

◎ 答案

解:(1)由v-t图象可知,在0~0.4s时间内线框做匀加速直线运动,进入磁场时的速度为v1=2.0m/s,所以在此过程中的加速度a==5.0m/s2
由牛顿第二定律F-mgsinθ-μmgcosθ=ma
解得F=1.5 N
(2)由v-t图象可知,线框进入磁场区域后以速度v1做匀速直线运动
产生的感应电动势E=BLv1
通过线框的电流I==
线框所受安培力F=BIL=
对于线框匀速运动的过程,由力的平衡条件,有F=mgsinθ+μmgcosθ+
解得B=0.50T
(3)由v-t图象可知,线框进入磁场区域后做匀速直线运动,并以速度v1匀速穿出磁场,说明线框的宽度等于磁场的宽度D=0.40m
线框ab边离开磁场后做匀减速直线运动,到达档板时的位移为s-D=0.15m
设线框与挡板碰撞前的速度为v2
由动能定理,有-mg(s-D)sinθ-μmg(s-D)cosθ=
解得v2==1.0 m/s
线框碰档板后速度大小仍为v2,线框下滑过程中,由于重力沿斜面方向的分力与滑动摩擦力大小相等,即mgsinθ=μmgcosθ=0.50N,因此线框与挡板碰撞后向下做匀速运动,ab边刚进入磁场时的速度为v2=1.0 m/s;进入磁场后因为又受到安培力作用而减速,做加速度逐渐变小的减速运动,设线框全部离开磁场区域时的速度为v3
由v=v0-得v3= v2-=-1.0 m/s
因v3<0,说明线框在离开磁场前速度已经减为零,这时安培力消失,线框受力平衡,所以线框将静止在磁场中某位置
线框向上运动通过磁场区域产生的焦耳热Q1=I2Rt==0.40 J
线框向下运动进入磁场的过程中产生的焦耳热Q2= =0.05 J
所以Q=Q1+Q2=0.45 J

◎ 解析

“略”

◎ 知识点

    专家分析,试题“如图甲所示,表面绝缘、倾角θ=30°的斜面固定在水平地面上,斜面的顶端固定有弹性挡板,挡板垂直于斜面,并与斜面底边平行。斜面所在空间有一宽度D=0.40m的匀强磁场区域,其…”主要考查了你对  【从运动情况确定受力】,【电磁感应现象中的切割类问题】  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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