双导体运动切割磁感线习题(2)

2019-04-09 16:59

面竖直向下,开始时,ab和cd都处于静止状态,现ab杆上作用一个水平方向的恒力F,下列说法中正确的是 [ ]

A.cd向左运动 B.cd向右运动

C.ab和cd均先做变加速运动,后作匀速运动 D.ab和cd均先做交加速运动,后作匀加速运动

8.B、D

19.图13各情况中,电阻R=0.lΩ,运动导线的长度都为l=0.05m,作匀速运动的速度都为v=10m/s.除电阻R外,其余各部分电阻均不计.匀强磁场的磁感强度B=0.3T.试计算各情况中通过每个电阻R的电流大小和方向.

19.a∶0 b∶3A从左向右 C∶1.5A,从上向下 d∶1A,从下向上

25.如图18所示,平行金属导轨的电阻不计,ab、cd的电阻均为R,长为l,另外的电阻阻值为R,整个装置放在磁感强度为B的匀强磁场中,当ab、cd以速率v向右运动时,通过R的电流强度为多少?

25.2BLv/3R

31.如图31所示,平行金属导轨的电阻不计,ab、cd的电阻均为R,长为l,另外的电阻阻值为R,整个装置放在磁感强度为B的匀强磁场中,当ab、cd以速率v向右运动时,通过R的电流强度为多少?

31.2BLv/3R

【例6】 图1装置中a、b是两根平行直导轨,MN和OP是垂直跨在a、b上并可左右滑动的两根平行直导线,每根长为L导轨上接入阻值分别为R和2R的两个电阻和一个板长为L'、间距为d的平行板电容器.整个装置放在磁感强度B垂直导轨平面的匀强磁场中.当用外力使MN以速率2v向右匀速滑动、OP以速率v向左匀速滑动时,两板间正好能平衡一个质量为m的带电微粒,试问

(1)微粒带何种电荷?电量是多少?

(2)外力的机械功率和电路中的电功率各是多少?

【分析】 两导线向左、右移动时,切割磁感线,产生感应电动势,相当两个顺向串联的电池,使得电容器两板分配到一定的电压,从而使其中的微粒悬浮。

【解答】 (1)MN右滑时,切割磁感线产生的感应电动势ε1=2Blv,方向由N指向M。

OP左滑时产生的感应电动势

ε2=Blv,方向由O指向P。

两者同时滑动时,MN和OP可以看成两个顺向串联的电源,电路中总的电动势。

ε=ε1+ε2=3Blv,方向沿NMOPN。

由全电路欧姆定律得电路中的电流强度

电容器两端的电压相当于把电阻R看作电源NM的内电阻时的路端电压,即

由于上板电势比下板高,故在两板间形成的匀强电场方向竖直向下,可见悬浮于两板间的微粒必带负电. 设微粒的电量为q,由平衡条件

(2)NM和OP两导线所受安培力均为

其方向都与它们的运动方向相反.匀速滑动时所加外力应满足条件

因此,外力做功的机械功率

电路中产生感应电流总的电功率

可见,P外=P电,这正是能的转化和守恒的必然结果。

【说明】 这是电场、电路、磁场、电磁感应和力学知识的综合题,要学会综合运用知识去了解分析问题和解决问题,通过练习提高综合运用知识的能力。

【例11】 如图1,平行光滑导轨MNPQ相距L,电阻可忽略,其水平部分置于磁感应强度为B的竖直向上的匀强磁场中,导线a和b质量均为m,a、b相距足够远,b放在水平导轨上,a从斜轨上高h处自由滑下,求回路中产生的最大焦耳热。

【分析】 导线a从斜轨上加速下滑,进入水平部分后,由于切割磁感线,回路中将产生感应电流,由左手定则得出a将作减速运动,b作加速运动,随着时间推移,a与b的速度也将减小,最终都将趋于匀速,而且此时回路中感应电流也应为零(否则a与b受力不平衡)a与b的速度关系应满足

对a、b导线在水平导轨上运动过程,由于a、b各自受到的安培力大小相等,方向相反,所以a与b系统动量守恒,即

mva=(m+m)v′ ③

所以回路中产生的最大聂耳热:

【说明】 本题除了应分析导线a与b都存在收尾速度外,还应知道最终它们收尾速度的关系,以及它们在运动过程中应满足的动量关系和能量关系。

【思考】 将上题中光滑导轨变成如图2形式,即在PQ后面增加一段

速度。

【分析与解】 利用上题结论不难得出a、b导线最终都将趋于匀速运动,此时回路中感应电流也应为零,根据回路中磁通量不变得

设导线a进入水平轨道后,a与b所受平均安培力分别Fa和Fb(导线a中电流与b中电流产生的磁场之间的相互作用可忽略),由F安=BIL得 Fa=2Fb ②

对a导线 -Fat=mva-mva ③ 对b导线 Fbt=mvb ④ 由①、②、③、④可解得

【小结】 本题与上题的区别不仅在于“收尾”时两导线速度不等,更在于在水平导轨上滑行过程中a与b系统动量不守恒,很多同学在寻找动量关系时感到难于下手或仍错误地认为动量守恒而无法得出正确结论。


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