如图所示,P、Q为足够长的光滑平行固定导轨,两者之间的距离为L=20cm,其电阻不计。导轨所在平面有沿竖直方向的匀强磁场,磁感应强度大小为B=5T,导轨右端连接着一电路,其中

◎ 题目

如图所示,P、Q为足够长的光滑平行固定导轨,两者之间的距离为L=20cm,其电阻不计。导轨所在平面有沿竖直方向的匀强磁场,磁感应强度大小为B=5T,导轨右端连接着一电路,其中R1=10Ω,R2=20Ω,R3=15Ω,R4=25Ω,平行板电容器板间距离d="10cm" ,电容C=5μF,板间有一质量为m=1.0×10-kg,带电量为q=-0.5×10- C的带电液滴。导体棒ab的电阻不计,质量为M=0.5kg,垂直于导轨PQ放置且与之良好接触,在外力作用下,ab始终沿水平方向向左做匀速直线运动。当开关S接通位置1时,带电液滴恰好处于静止状态。试回答以下问题:(重力加速度g=10m/s2
(1)判断导轨平面内磁感线的方向,要求简要说明理由。
(2)求外力做功的功率。
(3)计算当开关由位置1转换到位置2时,带电液滴的加速度及流过电容器的电量。

◎ 答案


(1)由右手定则判断出磁感线方向竖直向上;原因见解析
(2)
(3),方向向下;

◎ 解析

(1)因为当开关S接通位置1时,带电液滴恰好处于静止状态,说明带电液滴受到竖直向上的电场力,而带电液滴带负电,因而导体棒ab的b端电势高而a端电势低,电流方向由a指向b。由右手定则判断出磁感线方向竖直向上。(5分)
(2)设R1两端电压为U1,R2两端电压为U2,导体切割磁感线速率为,外力的大小为F
当开关接通位置1时,带电液滴恰好处于静止状态,所以有:
    ①     (1分)
因为R1与R2串联,所以有:   ②     (1分)
设导体棒ab做切割磁感线运动产生的感应电动势为,则
     ③       (1分)
又:               ④       (1分)
联立以上各式代数求解得:
设外力的大小为F,外力做功的功率为P,则有
       ⑤          (1分)
导体棒做匀速运动,外力的大小与安培力相等,所以有
                 ⑥          (1分)
代数求解得,外力做功的功率为                  (1分)
(3)设带电液滴的加速度大小为,由牛顿第二定律有:
          ⑦             (2分)
代数求解得:,方向向下。                    (1分)
设开关接位置1与位置2时,电容器所带电量分别为
则:       ⑧                 (1分)
       ⑨                 (1分)
由电路可判断出,当开关由位置1转换到位置2时,流过电容器的电量为
      ⑩                 (3分)
说明:用其它方法求解,只要正确,同样给分。

◎ 知识点

    专家分析,试题“如图所示,P、Q为足够长的光滑平行固定导轨,两者之间的距离为L=20cm,其电阻不计。导轨所在平面有沿竖直方向的匀强磁场,磁感应强度大小为B=5T,导轨右端连接着一电路,其中…”主要考查了你对  【磁场对通电导线的作用:安培力、左手定则】  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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