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如图所示,两根平行金属导轨固定在水平桌面上,每根导轨单位长度电阻为r,导轨的端点...

如图所示,两根平行金属导轨固定在水平桌面上,每根导轨单位长度电阻为r,导轨的端点O、O′用电阻可忽略的导线相连,两导轨间的距离为.导轨处于垂直纸面向里的非匀强磁场中,磁场的磁感应强度B沿y方向大小不变,沿x方向均匀增强,即有B=kx,其中k为常数.一根质量为m、电阻不计的金属杆MN静止在坐标原点O、O′处.从t=0时刻,金属杆MN在拉力F作用下,以大小恒定为a的加速度在导轨上沿x方向无摩擦地滑动,滑动过程中杆保持与导轨垂直.求
(1)在时刻t金属杆MN产生的感应电动势大小;
(2)在时刻t金属杆MN所受的外力F;
(3)感应电动势的平均值与位移为x的函数关系;
(4)若在时刻t撤去拉力F,试说明金属杆MN此后做什么运动,并求此后电路发出的热量.

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(1)据题,杆以恒定的加速度a做匀加速运动,由v=at求出t时刻时杆的速度v,由x=at2求出杆通过的位移,此时B=kx,即可由E=Blv求出感应电动势的大小; (2)根据题设条件求出此时回路中的总电阻,由闭合电路欧姆定律求出电流,安培力的大小F=BIl,根据牛顿第二定律求出外力F与t的关系. (3)感应电动势的平均值由法拉第电磁感应定律求出. (3)撤去拉力F,金属杆MN受到安培力作用而减速运动,动能转化为内能,由能量守恒定律求解热量. 【解析】 (1)在时刻t,有杆通过的位移大小为x= 此时B=kx=kat2,v=at 所以在t时刻金属杆MN产生的感应电动势大小为    E=Blv=kla2t3 (2)据题知,在时刻t,回路的总电阻R=2xr=art2 所以在t时刻流经回路的感应电流大小为    I== 根据右手定则判断知,感应电流方向为NMPQN(逆时针方向). 在t时刻金属杆MN所受的安培力大小为    F安=BIl 代入解得,F安= 根据牛顿第二定律得    F-F安=ma 解得 F=ma+ (3)位移为x时,杆运动的时间为△t=t= 由于B随x均匀变化,则感应电动势平均值为== 根据法拉第电磁感应定律得 ==, 又△S=lx 联立以上各式得 (4)撤去拉力F,金属杆MN受到安培力作用而减速运动,由能量守恒定律得    Q= 答: (1)在时刻t金属杆MN产生的感应电动势大小为kla2t3; (2)在时刻t金属杆MN所受的外力F为ma+; (3)感应电动势的平均值与位移为x的函数关系为; (4)若在时刻t撤去拉力F,金属杆MN此后做减速运动,此后电路发出的热量为.
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考点分析:
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试题属性
  • 题型:解答题
  • 难度:中等

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