如图所示,金属导轨MNC和PQD,MN与PQ平行且间距为L,所在平面与水平面夹角为α,N、Q连线与MN垂直,...
问题详情:
如图所示,金属导轨MNC和PQD,MN与PQ平行且间距为L,所在平面与水平面夹角为α,N、Q连线与MN垂直,M、P间接有阻值为R的电阻;光滑直导轨NC和QD在同一水平面内,与NQ的夹角都为锐角θ.均匀金属棒ab和ef质量均为m,长均为L,ab棒初始位置在水平导轨上与NQ重合;ef棒垂直放在倾斜导轨上,与导轨间的动摩擦因数为μ(μ较小),由导轨上的小立柱1和2阻挡而静止.空间有方向竖直的匀强磁场(图中未画出).两金属棒与导轨保持良好接触.不计所有导轨和ab棒的电阻,ef棒的阻值为R,最大静摩擦力与滑动摩擦力大小相等,忽略感应电流产生的磁场,重力加速度为g.
(1)若磁感应强度大小为B,给ab棒一个垂直于NQ、水平向右的速度v1,在水平导轨上沿运动方向滑行一段距离后停止,ef棒始终静止,求此过程ef棒上产生的热量;
(2)在(1)问过程中,ab棒滑行距离为d,求通过ab棒某横截面的电荷量;
(3)若ab棒以垂直于NQ的速度v2在水平导轨上向右匀速运动,并在NQ位置时取走小立柱1和2,且运动过程中ef棒始终静止.求此状态下最强磁场的磁感应强度及此磁场下ab棒运动的最大距离.
【回答】
(1)Qef=;(2)q=;(3)Bm=,方向竖直向上或竖直向下均可,xm=
【解析】
解:(1)设ab棒的初动能为Ek,ef棒和电阻R在此过程产生热量分别为Q和Q1,有
Q+Q1=Ek①
且Q=Q1 ②
由题意 Ek=③
得 Q=④
(2)设在题设的过程中,ab棒滑行的时间为△t,扫过的导轨间的面积为△S,通过△S的磁通量为△Φ,ab棒产生的电动势为E,ab棒中的电流为I,通过ab棒某截面的电荷量为q,则
E=⑤
且△Φ=B△S ⑥
电流 I=⑦
又有 I=⑧
由图所示,△S=d(L﹣dcotθ) ⑨
联立⑤~⑨,解得:q=(10)
(3)ab棒滑行距离为x时,ab棒在导轨间的棒长Lx为:
Lx=L﹣2xcotθ (11)
此时,ab棒产生的电动势Ex为:E=Bv2Lx (12)
流过ef棒的电流Ix为 Ix=(13)
ef棒所受安培力Fx为 Fx=BIxL (14)
联立(11)~(14),解得:Fx=(15)
有(15)式可得,Fx在x=0和B为最大值Bm时有最大值F1.
由题意知,ab棒所受安培力方向必水平向左,ef棒所受安培力方向必水平向右,使F1为最大值的受力分析如图所示,
图中fm为最大静摩擦力,有:
F1cosα=mgsinα+μ(mgcosα+F1sinα) (16)
联立(15)(16),得:Bm=(17)
Bm就是题目所求最强磁场的磁感应强度大小,该磁场方向可竖直向上,也可竖直向下.
有(15)式可知,B为Bm时,Fx随x增大而减小,x为最大xm时,Fx为最小值,如图可知 F2cosα++μ(mgcosα+F2sinα)=mgsinα (18)
联立(15)(17)(18),得
xm=
答:(1)ef棒上产生的热量为;
(2)通过ab棒某横截面的电量为.
(3)此状态下最强磁场的磁感应强度是,磁场下ab棒运动的最大距离是.
【点评】本题是对法拉第电磁感应定律的考查,解决本题的关键是分析清楚棒的受力的情况,找出磁感应强度的关系式是本题的重点.
知识点:法拉第电磁感应定律
题型:解答题
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