高中 | 洛伦兹力 题目答案及解析

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选修3-1

第三章 磁场

3.5 运动电荷在磁场中受到的力

洛伦兹力

如图所示,一质量为M的足够长“匚”型金属导轨abcd放在光滑的绝缘水平面上。质量为m、电阻不计的导体棒PQ平行bc放置在导轨上,PQ左侧有两个固定于水平面的立柱。导轨单位长度的电阻为R0,bc长为L,初始时bc与PQ间距离也为L。分界线ef与bc平行,其左侧有竖直向上的匀强磁场,右侧有水平向左的匀强磁场,磁感应强度大小均为B。在t=0时,一水平向左的拉力F垂直作用在导轨bc段中点,使导轨由静止开始做匀加速直线运动,加速度大小为a,PQ与导轨间动摩擦因数为μ,且始终接触良好,则$(\quad\ \ \ \ )$

["

回路中的电动势先增大后减小

","

运动过程中拉力F的最大值为Ma+μmg+$\\frac{B^{2}L^{2}a\\mu}{2R_{0}\\sqrt{3La}}$

","

若t0时间内导轨产生的焦耳热为Q,则该时间内导轨克服安培力做功为Q

","

若t0时间内导轨产生的焦耳热为Q,则该时间内导轨克服摩擦力做功为$\\frac{1}{2}\\mu mgat_{0}^{2}+\\mu Q$

"]
[["CD"]]

A.导轨做初速为零的匀加速运动,t时刻的速度 v=at

回路中感应电动势:E=BLv=BLat

可知回路中的电动势一直增大,选项A错误;

B.导轨运动以后,由v=at,$x=\frac{1}{2}at^{2}$,Rx=R0•2x,$I=\frac{E}{R_{x}+3LR_{0}}$,F=BIL

得$F_{安}=\frac{B^{2}L^{2}at}{(3L+at^{2})R_{0}}$

导轨受外力F,安培力F和滑动摩擦力f。其中有f=μFN=μ(mg+F

对导轨,由牛顿第二定律得F-FA-f=Ma

联立得$F=\mu mg+Ma+(\mu+1)\frac{B^{2}L^{2}at}{(3L+at^{2})R_{0}}=\mu mg+Ma+(\mu+1)\frac{B^{2}L^{2}a}{(\frac{3L}{t}+at)R_{0}}$

分析可知, 当$\frac{3L}{t}=at$即$t=\sqrt{\frac{3L}{a}}$力F最大,则有

$F_{\max}=Ma+\mu mg+(\mu+1)\frac{B^{2}L^{2}a}{2R_{0}\sqrt{3La}}$

选项B错误;

C.克服安培力做功等于产生的焦耳热,可知若t0时间内导轨产生的焦耳热为Q,则该时间内导轨克服安培力做功为Q,选项C正确;

D.又导轨克服摩擦力做功为$W=\mu(mg+{\overline{F}}_{安})x$

而 $Q={\overline{F}}_{安}x$,$x=\frac{1}{2}at_{0}^{2}$

则有$W=\frac{1}{2}\mu mgat_{0}^{2}+\mu Q$

选项D正确。

故选CD。

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