| 牛顿第二定律的两类基本问题 题目答案及解析

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必修1

第四章 牛顿运动定律

4.6 用牛顿运动定律解决问题(一)

牛顿第二定律的两类基本问题

如图所示,导体棒$ab$$cd$分别静置于水平固定的平行窄导轨和宽导轨上,导轨间距分别为$L_{1}=1m$$L_{2}=2m$,导轨电阻不计,所在区域存在方向竖直向下、磁感应强度大小为$B=1T$的匀强磁场,$ab$$cd$棒的质量分别为$m_{1}=0.2\;\rm kg$$m_{2}=0.4\;\rm kg$,两导体棒总电阻为$R=5\;\rm \Omega$$ab$棒与导轨间无摩擦,$cd$棒与导轨间的动摩擦因数$\mu =0.25$$t=0$时刻,给导体棒$ab$一个大小为$F=1\;\rm N$,方向水平向右的恒力作用,$t=0.7\;\rm s$$cd$棒刚要滑动,再过一段时间后回路中电流大小为$I_{0}$且保持恒定。已知$ab$棒距宽导轨足够远,$cd$棒所在导轨足够长,导体棒始终垂直于导轨且与导轨接触良好,重力加速度大小$g$$10\;\rm m/s^{2}$,最大静摩擦力等于滑动摩擦力,求:

$t=0.7\;\rm s$时,$cd$棒中电流的大小和方向;

[["

$0.5\\;\\rm A$,由$d$指向$c$

"]]

$t=0.7\;\rm s$时,对$cd$棒受力分析,由平衡条件$BIL_{2}=\mu m_{2}g$

解得$cd$棒中电流的大小$I=\dfrac{\mu m_{2}g}{BL_{2}}=0.5\;\rm{A}$

由右手定则可知,$cd$棒中电流方向为由$d$指向$c$

$0 ∼ 0.7\;\rm s$时间内,安培力对$ab$棒的冲量大小;

[["

$0.2\\;\\rm N ⋅ s$

"]]

$t=0.7\;\rm s$时,$ab$棒产生的感应电动势为$E=BL_{1}v$

由欧姆定律$I=\dfrac{E}{R}$

代入数据解得$v=2.5\;\rm m/s$

$0 ∼ 0.7\;\rm s$时间内,对$ab$棒受力分析,由动量定理$Ft − I_{安}=mv_{1} − 0$

解得$I_{安}=0.2\;\rm N ⋅ s$

电流$I_{0}$的大小。

[["

$\\dfrac{2}{3}\\;\\rm {A}$

"]]

稳定后,电路中电流一定,由欧姆定律得$E_{等效}=BL_{1}v_{1} − BL_{2}v_{2}=I_{0}R$

再过$\Delta t$时间,$ab$棒、$cd$棒的速度变化量分别为$\Delta v_{1}$$\Delta v_{2}$,则由$BL_{1}(v_{1}+\Delta v_{1}) − BL_{2}(v_{2}+\Delta v_{2})=I_{0}R$

联立可得$L_{1}\Delta v_{1}=L_{2}\Delta v_{2}$

其中$a=\dfrac{\Delta v}{\Delta t}$

$\dfrac{a_{1}}{a_{2}}=\dfrac{L_{2}}{L_{1}}=\dfrac{2}{1}$

由牛顿第二定律$\dfrac{F-BI_{0}L_{1}}{m_{1}}=2\dfrac{BI_{0}L_{2}-\mu m_{2}g}{m_{2}}$

代入数据解得$I_{0}=\dfrac{2}{3}\;\rm {A}$

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