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高中 | 含容单棒模型题目答案及解析如下,仅供参考!
选修3-2
第四章 电磁感应
4.4 法拉第电磁感应定律
含容单棒模型
如图所示,间距为$L$的水平光滑长导轨,左端接有一个电容器,电容为$C$(不会被击穿),在$PQ$虚线的左侧有竖直向上的匀强磁场,磁感应强度大小为$B$。质量为$m$的金属杆$ab$静置在导轨上,距离虚线$PQ$的距离是$d$,金属杆在水平向右恒力$F$的作用下,开始向右运动,不计导轨与金属杆的电阻,下列说法正确的是 $(\qquad)$
金属杆$ab$先做加速度不断减小的加速运动,最终匀速运动
","金属杆$ab$的运动可能是先从加速到匀速再到加速
","金属杆$ab$运动到达虚线$PQ$的时间$t=2d\\sqrt{\\dfrac{m+C{{B}^{2}}{{L}^{2}}}{F}}$
","电容器能带的最多电量是$CBL\\sqrt{\\dfrac{2dF}{m+C{{B}^{2}}{{L}^{2}}}}$
"]金属棒向右运动,切割磁感应线产生电动势$E$,给电容器充电,设在$t\sim t+\Delta t$的时间里,电容器充电量为$\Delta q$,则$\Delta q=CE=CBL\Delta v$,则充电电流为$i=\dfrac{\Delta q}{\Delta t}=CBL\dfrac{\Delta v}{\Delta t}=CBLa$,对金属棒列牛顿第二定律方程$F-BLi=ma$
得$a=\dfrac{F}{m+C{{B}^{2}}{{L}^{2}}}$,上式说明金属棒做初速度为零的匀加速直线运动,由$x=\dfrac{1}{2}a{{t}^{2}}$,可得$t=\sqrt{\dfrac{2d}{a}}$,得$t=\sqrt{\dfrac{2d}{a}}=\sqrt{\dfrac{2d(m+C{{B}^{2}}{{L}^{2}})}{F}}$,再由$q=CE=CBLv=CBLat$,得金属杆最终出磁场时,电容器带电量最大,带电量为${{q}_{\max }}=CBL\sqrt{\dfrac{2dF}{m+C{{B}^{2}}{{L}^{2}}}}$。
故选:$\rm D$。
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