如图所示,在一对平行的金属导轨的上端连接一阻值为R的定值电阻,两导轨所决定的平面与水平面成30°角,若将一质量为m、长为L的导体棒ab垂直于两导轨放在导轨上,并使其由静止开始下滑,已知导体棒电阻为r,整个装置处在垂直于导轨平面的匀强磁场中,磁感应强度为B,求导体棒最终下滑的速度及电阻R最终的发热功率分别为多少.(导轨足够长,磁场足够大,不计导轨电阻和摩擦)
问题描述:
如图所示,在一对平行的金属导轨的上端连接一阻值为R的定值电阻,两导轨所决定的平面与水平面成30°角,若将一质量为m、长为L的导体棒ab垂直于两导轨放在导轨上,并使其由静止开始下滑,已知导体棒电阻为r,整个装置处在垂直于导轨平面的匀强磁场中,磁感应强度为B,求导体棒最终下滑的速度及电阻R最终的发热功率分别为多少.(导轨足够长,磁场足够大,不计导轨电阻和摩擦)
答
导体棒由静止释放后,加速下滑,受力情况如图所示,由右手定则判定棒中电流方向由b→a,由左手定则判定,受安培力沿斜面向上,随着棒的下滑速度不断增大,安培力F增大,加速度减小,导体棒做变加速运动,当加速度a=0...
答案解析:(1)金属棒下滑时切割磁感线运动,产生感应电动势,产生感应电流,受到沿斜面向上的安培力,做加速度逐渐减小的加速运动,当加速度为0时,速度最大.
(2)下滑过程中,重力势能减小,动能增加,内能增加,根据能量守恒求出整个电路产生的热量,从而求出电阻R上产生的热量.
考试点:导体切割磁感线时的感应电动势;力的合成与分解的运用;共点力平衡的条件及其应用;电磁感应中的能量转化.
知识点:本题还可以这样解:
当棒匀速下滑时,重力做正功,安培力做负功,导体棒的重力势能的减少等于回路中电能的增加,
PG=P电,即mgvmsin30°=
①E2 R+r
其中E=BLvm②
由①②得vm=
mg(R+r) 2B2L2
由R和r串联,功率分配关系为PR=
P电=R R+r
mgvmsin30°=R R+r
m2g2R 4B2L2
注意电路中产生的电功率不全是电阻R消耗的电功率.