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如图所示,竖直放置的两根足够长的光滑金属导轨相距为L,导轨的两端分别与电源(串有...

如图所示,竖直放置的两根足够长的光滑金属导轨相距为L,导轨的两端分别与电源(串有一滑动变阻器R)、定值电阻、电容器(原来不带电)和开关K相连.整个空间充满了垂直于导轨平面向外的匀强磁场,其磁感应强度的大小为B.一质量为m,电阻不计的金属棒ab横跨在导轨上.已知电源电动势为E,内阻为r,电容器的电容为C,定值电阻的阻值为R,不计导轨的电阻.
(1)当K接1时,金属棒ab在磁场中恰好保持静止,则滑动变阻器接入电路的阻值R为多大?
(2)当K接2后,金属棒ab从静止开始下落,下落距离s时达到稳定速度,则此稳定速度的大小为多大?下落s的过程中所需的时间为多少?
(3)ab达到稳定速度后,将开关K突然接到3,试通过推导,说明ab作何种性质的运动?求ab再下落距离s时,电容器储存的电能是多少?(设电容器不漏电,此时电容器没有被击穿)

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(1)当K接1时,金属棒ab在磁场中恰好保持静止,棒的重力与安培力平衡,由平衡条件和安培力公式列式,可求出电路中的电流,再根据欧姆定律求R; (2)当K接2后,金属棒ab从静止开始下落,先做加速度减小的变加速运动,后做匀速运动,达到稳定状态,根据重力的功率等于电功率列式求速度.根据动量定理和法拉第定律列式求时间. (3)ab达到稳定速度后,将开关K突然接到3,电容器充电,电路中充电电流,ab棒受到安培力,安培力的瞬时表达式F=BiL,i==,又U=E=BLv,再结合牛顿第二定律求得瞬时加速度,即可判断棒的运动性质.根据能量守恒求电容器储存的电能. 【解析】 (1)当K接1时,金属棒ab在磁场中恰好保持静止,棒的重力与安培力平衡,则有   mg=BIL 又I= 联立解得, (2)当K接2后,棒达到稳定状态时做匀速运动,则有    mgv=, 又感应电动势E′=BLv 联立上两式得:v=① 根据动量定理得:mgt-BLt=mv 而q=t 又感应电荷量q=t,=,=,△Φ=BLs,联立得q= 联立解得t=+. (3)将开关K突然接到3,电容器充电,电路中充电电流,ab棒受到向上的安培力,设瞬时加速度为a,根据牛顿第二定律得    mg-BiL=ma ② 又i==,又U=E=BLv,得i==CBLa③ 由②③得:mg-BL•CBLa=ma 解得,a= ④ 可见棒的加速度不变,做匀加速直线运动. 当ab下降距离s时,设棒的速度为v′,则v′2-v2=2as ⑤ 设电容器储存的电能为△E,则根据能量守恒得    mgs+=+△E⑥ 联立①④⑤⑥得:. 答:(1)滑动变阻器接入电路的阻值R为-r. (2)稳定速度的大小为,下落s的过程中所需的时间为+. (3)棒做加速度为的匀加速直线运动,ab再下落距离s时,电容器储存的电能是.
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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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