高中 | 闭合电路的欧姆定律基本问题 题目答案及解析

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选修3-1

第二章 恒定电流

2.7 闭合电路的欧姆定律

闭合电路的欧姆定律基本问题

如图所示,在倾角$\theta=37^{∘}$的绝缘斜面上固定着两条粗细均匀且相互平行的光滑金属导轨$DE$$GH$,间距$d=1\;\rm m$,每条金属导轨单位长度的电阻$r_{0}=0.5\;\rm \Omega/m$$DG$水平,且$DG$两端点接了一个阻值$R=2\;\rm \Omega$的电阻。以$DG$中点$O$为坐标原点,沿斜面向上平行于$GH$方向建立$x$轴,在$DG$连线沿斜面向上的整个空间存在着垂直于斜面向上的磁场,且磁感应强度大小$B$与坐标$x$满足关系$B=(0.6+0.2x)\;\rm T$,一根长$L=2\;\rm m$,电阻$r=2\;\rm \Omega$,质量$m=0.1\;\rm kg$的粗细均匀的金属棒$MN$平行于$DG$放置,在拉力$F$作用下以恒定的速度$v=1\;\rm m/s$$x=0$处沿$x$轴正方向运动,金属棒与两导轨接触良好。$\sin 37^{∘} =0.6$$\cos 37^{∘} =0.8$,计其它电阻。求

金属棒上的电流方向;(选答“$A$$C$”或“$C$$A$”)

[["

$A$$C$

"]]

由右手定则可以判定导体棒中电流的方向为$A$$C$

金属棒通过$x=2\;\rm m$处时,流过$R$的电流大小;

[["

$0.2\\;\\rm A$

"]]

金属棒连入电路部分产生的感应电动势为$E_{1}=B_{1}dv=(0.6+0.2 \times 2) \times 1 \times 1\;\rm V=1\;\rm V$

根据闭合电路欧姆定律可得电流大小$I_{1}=\dfrac{E_{1}}{R+\dfrac{d}{l}r+2xr_{0}}=0.2\;\rm \text{A}$

金属棒通过$x=2\;\rm m$处时,棒两端的电势差$U_{MN}$

[["

$-0.18\\;\\rm V$

"]]

由右手定则知$M$点电势低于$N$点电势,根据欧姆定律可得金属棒通过$x=2m$处时两端的电势差$U_{MN}=−[I_{1}(R+2xr_{0})+B_{1}(l − d)]v=-1.8\;\rm V$

金属棒从$x=0$$x=3\;\rm m$过程中,$R$上产生的热量和外力$F$做的功。

[["

$0.24$$2.34\\;\\rm J$

"]]

金属棒做匀速直线运动$I=\dfrac{Bdv}{R+\dfrac{d}{l}r+2xr_{0}}=\dfrac{(0.6+0.2x) \times 1 \times 1}{3+x}\text{A}=0.2\;\rm \text{A}$

$t=\dfrac{x}{v}=3\;\rm \text{s}$$R$上产生的热量$Q=I^{2}Rt=0.24\;\rm J$

金属棒做匀速直线运动,则有$F=mg\sin \theta+BdI$

此过程$F$随位移均匀变化$F=0.72+0.04x$

金属棒从$x=0$$x=3\;\rm m$过程中,外力$F$做的功$W=\overline{F}x=\dfrac{0.72+0.84}{2} \times 3\;\rm \text{J}=2.34\;\rm \text{J}$

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