高中 | 含容单棒模型 题目答案及解析

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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

如图甲所示,水平面上固定两条足够长的平行轨道,轨道间距为$0.4\;\rm m$,虚线${{O}_{1}}{{O}_{2}}$垂直于轨道,${{O}_{1}}{{O}_{2}}$左侧部分轨道由金属材料制成,其左端通过导线与电容为$2\times {{10}^{3}}\;\rm \mu\!\!{ F}$的平行板电容器的极板$A$$B$分别相连,${{O}_{1}}{{O}_{2}}$右侧部分的轨道由绝缘材料制成,轨道处于方向竖直向下的匀强磁场中。将一质量为$0.1\;\rm kg$且电阻不计的金属棒$MN$置于${{O}_{1}}{{O}_{2}}$左侧的金属轨道上,并通过水平轻绳绕过光滑定滑轮与质量为$0.2\;\rm kg$的小物块相连,$MN$与轨道各部分的动摩擦因数都相同。$t=0$时刻,将$MN$和小物块同时由静止释放,$MN$离开虚线${{O}_{1}}{{O}_{2}}$后的图像如图乙所示。整个过程中$MN$始终垂直于轨道且与轨道接触良好,电容器未被击穿,重力加速度$g=10\;\rm \text{m}/{{\text{s}}^{2}}$。则下列说法正确的是$(\qquad)$

["

电容器的$A$极板带正电

","

$MN$在第$1\\;\\rm s$内做匀加速直线运动

","

磁场的磁感应强度大小为$25\\;\\rm T$

","

电容器储存的电能为$0.9\\;\\rm J$

"]
[["BCD"]]

$\rm A$.金属棒切割磁感线时,根据右手定则可知电流方向由$M$流向$N$,则电容器的$B$极板带正电,故$\rm A$错误;

$\rm B$.设金属棒的质量为$m$,则小物块质量为$M$,轨道间距为$d$,金属棒在虚线${{O}_{1}}{{O}_{2}}$左侧运动时,以小物块和金属棒为整体,根据牛顿第二定律可得$Mg-BId-\mu mg=(M+m)a$

$I=\dfrac{\Delta q}{\Delta t}=\dfrac{C\Delta U}{\Delta t}=\dfrac{CBd\Delta v}{\Delta t}=CBda$

联立可得$a=\dfrac{Mg-\mu mg}{C{{B}^{2}}{{d}^{2}}+M+m}$

可知金属棒在虚线${{O}_{1}}{{O}_{2}}$左侧做初速度为零的匀加速直线运动,故$\rm B$正确;

$\rm C$.根据$v-t$图像可知,金属棒在虚线${{O}_{1}}{{O}_{2}}$左侧运动时间为$1\;\rm s$,末速度为$3\;\rm m/s$,则加速度为$a=\dfrac{\Delta v}{\Delta t}=3{\;\rm m/s}^{2}$

$a=\dfrac{Mg-\mu mg}{C{{B}^{2}}{{d}^{2}}+M+m}$

$1\sim2\;\rm \text{s}$内金属棒在虚线${{O}_{1}}{{O}_{2}}$右侧运动,以金属棒和小滑块为整体,根据牛顿第二定律可得$Mg-\mu mg=(M+m){a}'$

根据$v-t$图像可知,$1\sim2\text{s}$内金属棒在虚线${{O}_{1}}{{O}_{2}}$右侧运动的加速度为${a}'=\dfrac{\Delta {v}'}{\Delta {t}'}=\dfrac{8-3}{2-1}\;\rm m/s^2=5\;\rm m/s^2$

联立解得$\mu =0.5$$B=25\;\rm {T}$,故$\rm C$正确;

$\rm D$.金属棒的释放点到虚线${{O}_{1}}{{O}_{2}}$的距离为$x=\dfrac{1}{2}at_{1}^{2}=\dfrac{1}{2}\times 3\times {{1}^{2}}\;\rm \text{m}=1.5\;\rm \text{m}$

$1\;\rm \text{s}$末金属棒的速度为$3\;\rm \text{m/s}$,根据功能关系可知$Mgx-\mu mgx=E+\dfrac{1}{2}\times (M+m){{v}_{1}}^{2}$

解得电容器储存的电能为$E=0.9\;\rm \text{J}$,故$\rm D$正确。

故选:$\rm BCD$

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