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如图甲所示,光滑且足够长的平行金属导轨MN、PQ固定在同一水平面上,两导轨间距L...

如图甲所示,光滑且足够长的平行金属导轨MN、PQ固定在同一水平面上,两导轨间距L=0.3m.导轨电阻忽略不计,其间连接有固定电阻R=0.4Ω.导轨上停放一质量m=0.1kg、电阻r=0.2Ω的金属杆ab,整个装置处于磁感应强度B=0.5T的匀强磁场中,磁场方向竖直向下.利用一外力F沿水平方向拉金属杆ab,使之由静止开始运动做匀加速直线运动,电压传感器可将R两端的电压U即时采集并输入电脑,获得电压U随时间t变化的关系如图乙所示.
(1)求金属杆的瞬时速度随时间变化的表达式;
(2)求第2s末外力F的大小;
(3)如果水平外力从静止起拉动杆2s所做的功为1.2J,求整个回路中产生的焦耳热是多少.
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(1)根据法拉第电磁感应定律、欧姆定律推导出R两端的电压与速度的关系式,由电压图象写出电压与时间的关系式,即可求出速度的表达式. (2)由速度的表达式求出金属加速度,由速度公式求出第2s末的速度,根据安培力公式F=求出安培力,即可根据牛顿第二定律求出外力F. (3)外力做功,使金属杆获得动能、回路中产生内能,根据能量守恒定律可求出整个回路中产生的焦耳热. 【解析】 (1)设路端电压为U,杆的运动速度为v,则有   E=BLv,,U=IR 联立得   U==0.1v 由图乙可得  U=0.2t(V)            所以速度    v=2t(m/s) (2)由上式v=2t知,金属杆的加速度为a=2m/s2,在2s末金属杆的速度为  v=at=4m/s, 此时杆受到的安培力大小为   N 由牛顿第二定律,对杆有F-F′=ma, 解得,F=0.35N (3)在2s末,杆的动能为  J 由能量守恒定律,回路产生的焦耳热 Q=W-Ek=0.4J 答:(1)金属杆的瞬时速度随时间变化的表达式为v=2t(m/s); (2)第2s末外力F的大小为0.35N; (3)如果水平外力从静止起拉动杆2s所做的功为1.2J,整个回路中产生的焦耳热是0.4J.
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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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