高中 | 双棒模型 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

双棒模型

如图所示,两条相距为$l$的光滑平行金属导轨固定在同一水平面内,空间内有方向竖直向下、磁感应强度大小为$B$的匀强磁场。两根质量均为$m$、电阻均为$R$的导体棒$MN$$PQ$垂直放置于金属导轨不同位置,保持与导轨良好接触。某时刻给$MN$一个水平向右的初速度$v_{0}$,此后过程中两导体棒不发生碰撞,则从该时刻起到两导体棒达到稳定状态的过程中$(\qquad)$

["

通过导体棒$PQ$的电流均匀增大

","

导体棒$MN$做加速度减小的减速运动

","

导体棒$MN$上产生的焦耳热为$\\dfrac{3}{8}mv_{0}^{2}$

","

导体棒$MN$和导体棒$PQ$通过距离之差为$\\dfrac{m{{v}_{0}}R}{{{B}^{2}}{{l}^{2}}}$

"]
[["BD"]]

$\rm A$.当给$MN$一个向右的初速度${{v}_{0}}$时,$MN$切割磁感线产生感应电动势,回路中有感应电流,导体棒$PQ$由于受到安培力的作用也随之切割磁感线运动产生感应电动时,根据电磁感应原理可知,电路产生的电动势$E=Bl({{v}_{{MN}}}-{{v}_{{PQ}}})$,电路中的感应电流$I=\dfrac{Bl({{v}_{{MN}}}-{{v}_{{PQ}}})}{2R}$,根据左手定则可知,$MN$受到向左的安培力而做减速运动,$PQ$受到向右的安培力而向右做加速运动,故$\Delta v={{v}_{{MN}}}-{{v}_{{PQ}}}$逐渐减小,因此$PQ$的感应电流逐渐减小,而不是均匀增加,$\rm A$错误;

$\rm B$$MN$受到的安培力$F=BIl=\dfrac{{{B}^{2}}{{l}^{2}}({{v}_{{MN}}}-{{v}_{{PQ}}})}{2R}$,根据牛顿第二定律则有$F=ma$,解得$a=\dfrac{{{B}^{2}}{{l}^{2}}({{v}_{{MN}}}-{{v}_{{PQ}}})}{2mR}$

由于$\Delta v={{v}_{{MN}}}-{{v}_{{PQ}}}$逐渐减小,所以导体棒$MN$做加速度减小的减速运动,$\rm B$正确;

$\rm C$.两导体棒组成的系统动量守恒,则有$m{v}_{0}=2mv$,解得稳定时,两导体棒的速度为$v=\dfrac{1}{2}{{v}_{0}}$,根据能量守恒定律可知,整个过程系统产生的热量$Q=\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}-\dfrac{1}{2}\cdot 2m{{v}^{2}}=\dfrac{1}{4}mv_{0}^{2}$,由于两导体棒的电阻相等,所以导体棒$MN$上产生的热量${{Q}_{{MN}}}=\dfrac{1}{2}Q=\dfrac{1}{8}mv_{0}^{2}$$\rm C$错误;

$\rm D$.对$MN$由动量定理可得$-B\bar{I}l\cdot \Delta t=mv-m{{v}_{0}}$,设稳定时,二者的距离之差为$\Delta x$,根据法拉第电磁感应定律则有$\bar{E}=\dfrac{\Delta \Phi }{\Delta t}=\dfrac{Bl\cdot \Delta x}{\Delta t}$,根据欧姆定律可得$\bar{I}=\dfrac{{\bar{E}}}{2R}=\dfrac{Bl\cdot \Delta x}{2R\cdot \Delta t}$,其中$v=\dfrac{1}{2}{{v}_{0}}$,联立解得$\Delta x=\dfrac{m{{v}_{0}}R}{{{B}^{2}}{{l}^{2}}}$$\rm D$正确。

故选:$\rm BD$

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如图甲所示,粗细均匀的无限长光滑平行导轨固定在倾角的斜面上,在边界下方区域存在垂直导轨平面向下的匀强磁场,有两根相同金属棒、分别从磁场边界上方位置和边界位置同时由静止释放,棒运动的图像如图乙所示,其中、段为曲线,其它段为直线。已知磁感应强度,导轨间距,导体棒的质量均为,导体棒电阻均为,导轨电阻不计,取。求: 如图,两根光滑平行金属导轨固定在绝缘水平面上,左、右两侧导轨间距分别为和,处于竖直向上的磁场中,磁感应强度大小分别为和。两导体棒、垂直放置在导轨上,已知导体棒的电阻为、长度为、质量为,导体棒的电阻为、长度为,质量为。时刻,用水平恒力向右拉动,此后运动了足够长时间,运动过程中,两导体棒均未脱离原宽度处的导轨且与导轨保持良好接触。已知导轨足够长且电阻不计,从时刻到时刻的过程中,下列说法正确的是 如图所示,两段足够长的光滑平行金属导轨水平放置,导轨左右两部分的间距分别为、;空间存在竖直向上的匀强磁场,磁感应强度大小为,质量分别为、的导体杆、均垂直导轨放置,接入电路的电阻分别为、,导轨电阻忽略不计;、两杆同时分别以、的初速度向右运动,总在左边窄导轨上运动,总在右边宽导轨上运动,从开始运动到两杆稳定的过程中,下列说法正确的是 如图,足够长的平行光滑金属导轨固定在水平桌面上,间距,处在磁感应强度、竖直向上的匀强磁场中。质量、电阻的导体棒长度与导轨间距相等,垂直导轨放置。质量、电阻的导体棒与等长,垂直导轨静止在的右侧某一位置处。现使以初速度向右运动,、未发生碰撞。导体棒和导轨接触良好,导轨电阻不计。求: 如图所示,水平面内固定一间距、电阻不计且足够长的光滑平行金属导轨,整个导轨处于竖直向下、磁感应强度大小的匀强磁场中。两根相距很远且长度也为的细直金属杆、静置于导轨上,与导轨垂直并接触良好,、质量均为、电阻均为。时刻,给一水平向右、大小的初速度,第末的速度大小为,第内的位移为。不计空气阻力,则 如图所示,足够长的光滑水平轨道左侧部分的轨道间距为,右侧部分的轨道间距为,两部分轨道通过导线连通。整个区域存在竖直向下的匀强磁场(图中未画出),磁感应强度大小。质量的金属棒和质量的金属棒垂直于导轨分别静止放置在左、右两侧轨道上。现给金属棒一大小为、方向沿轨道向右的初速度,已知两金属棒接入电路的有效电阻均为,轨道电阻不计,,两金属棒在运动过程中始终相互平行且与导轨保持良好接触,棒总在宽轨上运动,棒总在窄轨上运动。下列说法正确的是
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