高中 | 安培力的常见力学问题 题目答案及解析

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选修3-1

第三章 磁场

3.4 通电导线在磁场中受到的力

安培力的常见力学问题

如图所示,绝缘水平面上固定一足够长且间距为$L$的光滑水平导轨,其左端连有一阻值为$R$的电阻,整个装置处于磁感应强度大小为$B$、方向竖直向下的匀强磁场中。质量为$m$的导体棒$de$垂直导轨放置,且与导轨接触良好,导轨和导体棒的电阻均忽略不计。在水平向右的恒定外力$F$的作用下,导体棒由静止开始运动且始终与导轨垂直,则$(\qquad)$

["

导体棒上$e$点电势高于$d$点电势

","

导体棒能达到的最大速度为$\\dfrac{FR}{B^{2}L^{2}}$

","

导体棒的速度从$0$增加到最大的过程中,外力$F$对导体棒做功的大小为$\\dfrac{mF^{2}R^{2}}{2B^{4}L^{4}}$

","

导体棒的速度从$0$增加到最大的过程中,通过电阻$R$的电荷量为$\\dfrac{mFR}{B^{3}L^{3}}$

"]
[["B"]]

$\rm A$.根据右手定则,流过导体棒的电流方向为$e → d$,则$d$点电势高于$e$点电势,故$\rm A$错误;

$\rm B$.对导体棒受力分析,其在水平方向受到水平向右的恒力$F$和水平向左的安培力作用,根据法拉第电磁感应定律和牛顿第二定律,导体棒先做加速度减小的加速运动,当安培力增大到与$F$相等时,速度达到最大值,则有$F=F_{安}=BIL=B \cdot \dfrac{BLv_{\text{m}}}{R} \cdot L=\dfrac{B^{2}L^{2}v_{\text{m}}}{R}$

解得$v_{\text{m}}=\dfrac{FR}{B^{2}L^{2}}$,故$\rm B$正确;

$\rm C$.导体棒速度从$0$增加到最大的过程中,根据动能定理可得$W_{\text{F}}-W_{安}=\dfrac{1}{2}mv_{\text{m}}^{2}=\dfrac{mF^{2}R^{2}}{2B^{4}L^{4}}$

则有$W_{\text{F}} \gt \dfrac{mF^{2}R^{2}}{2B^{4}L^{4}}$,故$\rm C$错误;

$\rm D$.导体棒速度从$0$增加到最大的过程中,根据动量定理可得$Ft-BL\overline{I}t=mv_{\text{m}}-0$

$q=\overline{I}t$

$t$未知,所以无法计算出$q$的大小,故$\rm D$错误。

故选:$\rm B$

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