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,足够长的光滑水平轨道左侧${{b}_{1}}{{b}_{2}}\sim {{c}_{1}}{{c}_{2}}$部分的轨道间距为$3L$,右侧${{c}_{1}}{{c}_{2}}\sim {{d}_{1}}{{d}_{2}}$部分的轨道间距为$L$,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$B=0.1\;\rm \text{T}$。质量$m=0.1\;\rm {kg}$的金属棒和质量$\mathrm{M}=0.2 \;\rm {kg}$的金属棒$Q$垂直于导轨分别静止放置在左、右两侧轨道上。现给金属棒$P$一大小为${{v}_{0}}=2\;\rm \text{m}/\text{s}$、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$R=0.2\;\rm \Omega$,轨道电阻不计,$L=0.2\;\rm \text{m}$,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,$Q$棒总在窄轨上运动。下列说法正确的是$(\qquad)$

["

整个过程金属棒$P$$Q$动量守恒

","

金属棒$P$匀速运动的速度大小为$\\dfrac{2}{19}{\\;\\rm m/s}$

","

整个过程通过金属棒$Q$某横截面的电荷量为$\\dfrac{60}{19}{\\;\\rm C}$

","

整个运动过程金属棒、$Q$扫过的面积之差为$\\dfrac{120}{19}{{\\;\\rm {m}}^{2}}$

"]
[["BC"]]

$\rm A$.因为$P$$Q$受到的安培力大小不相等,合力不为零,所以整个过程金属棒$P$$Q$动量不守恒,$\rm A$错误;

$\rm B$.选取水平向右为正方向,对$P$$Q$分别应用动量定理,对$P$$-{{F}_{P安}}\cdot t=m{{v}_{{P}}}-m{{v}_{0}}$

$Q$${{F}_{Q安}}\cdot t=M{{v}_{Q}}$

其中${{F}_{{P安}}}=3{{F}_{{Q安}}}$

整理得$m{{v}_{0}}-m{{v}_{{P}}}=3M{{v}_{{Q}}}$

两棒最后匀速时,电路中无电流,此时回路总电动势为零,必有$3BL{v}_{P}=BL{v}_{Q}$

${{v}_{{Q}}}=3{{v}_{{P}}}$

联立解得${{v}_{{P}}}=\dfrac{2}{19}\;\rm {m/s}$$\rm B$正确;

$\rm C$.在$Q$加速过程中根据动量定理有$\sum BiL\Delta t=M{{v}_{{Q}}}-0$

又电荷量$Q=\sum i\Delta t$

解得$q=\dfrac{60}{19}{\;\rm C}$$\rm C$正确;

$\rm D$.根据$q=\dfrac{\Delta \Phi }{2R}=\dfrac{B\Delta S}{2R}$

代入数据解得$\Delta S=\dfrac{240}{19}{{\;\rm {m}}^{2}}$$\rm D$错误。

故选:$\rm B$

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如图所示,间距的导轨、水平放置,、为半径的半圆弧,其中是一小段的绝缘材料,其余部分均导电,水平轨道和半圆弧轨道平滑连接。处连接一充满电的电容器,电容,、上垂直导轨放置两根质量均为的导体棒,棒放在绝缘处,棒在棒左侧且相距足够远,连接有一的定值电阻。整个装置处于竖直向上磁感应强度的匀强磁场中,接通开关,棒被弹射出后与棒发生弹性碰撞,碰后给棒施加外力使其沿轨道匀速率运动,棒运动至最低点时受到的支持力,运动到时撤去外力后使其沿水平轨道自由滑行直至停止,运动过程中棒始终与导轨垂直且接触良好。不计其他电阻,忽略一切阻力,取、,求: 如图甲所示,在水平面上固定两根平行的金属轨道和,其中、段长度均为,、粗糙且动摩擦因数为,轨道其余部分光滑。区域存在竖直向上的匀强磁场,磁感应强度为,轨道间连接有阻值为的电阻和一套电压传感器(内阻可视为无穷大)。现有一金属棒,受水平向右的恒力作用,从处由静止开始运动,通过数字接收器在屏幕上显示的电压如图乙所示(已知),当电压为时曲线已趋向水平。已知金属棒的质量为,电阻也为。轨道间距为,轨道电阻不计。求: 如图所示,粗糙水平导轨、和光滑水平导轨、在处平滑连接,但彼此绝缘,导轨间距均为,电阻均忽略不计;导轨右端之间连接直流电阻不计的线圈,其自感系数为,整个导轨处于竖直向上、磁感应强度为的匀强磁场中。在导轨上垂直放置两根质量均为,长度均为的金属棒和,棒电阻为,棒电阻不计。开始时棒恰好处于导轨、的最右端且被锁定,棒处于距离为处:现给棒一个平行于导轨向右、大小为瞬时冲量,当两棒即将碰撞时解除棒的锁定,两棒之间发生弹性正碰,碰撞后瞬间棒的速度为。知棒与导轨、间的动摩擦因数为,重力加速度为,两棒碰撞时间极短。 在自动化装配车间,常采用电磁驱动的机械臂系统,如图,、为两条足够长的光滑平行金属导轨,间距为,电阻忽略不计。导轨置于磁感应强度大小为,方向垂直纸面向里的匀强磁场中,导轨上有与之垂直并接触良好的金属机械臂和,质量均为,电阻均为。导轨左侧接有电容为的电容器。初始时刻,机械臂以初速度向右运动,机械臂静止,运动过程中两机械臂不发生碰撞。系统达到稳定状态后,电流为零,两机械臂速度相同。
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