| 闭合电路的欧姆定律基本问题 题目答案及解析

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选修3-1

第二章 恒定电流

2.7 闭合电路的欧姆定律

闭合电路的欧姆定律基本问题

如图所示,与水平面成$30^\circ $角的光滑平行倾斜导轨,下端接阻值为$3\;\rm \Omega$的电阻。导轨中间虚线框部分为边长$1\;\rm m$的正方形。$t=0$时刻,质量为$0.2\;\rm kg$、阻值为$6\;\rm \Omega$的导体棒垂直导轨放置,从距离上端虚线$0.1\;\rm m$的位置由静止释放,同时虚线框内匀强磁场磁感应强度由$0$开始随时间均匀增加,方向垂直导轨平面向上。当导体棒刚进入磁场时,磁感应强度停止变化,且导体棒恰能匀速下滑。不计导轨电阻,重力加速度为$10\;\rm m/s^{2}$。求:

导体棒刚进磁场时磁感应强度的大小;

[["

$3\\;\\rm T$

"]]

导体棒由静止开始下滑,根据牛顿第二定律$mg\sin\theta=ma_{1}$

设刚进入磁场时速度大小为$v_{1}$,根据速度位移公式有$v_{1}^{2}=2a_{1}x_{1}$

刚进入磁场时,设电动势大小为$E_{0}$,根据法拉第电磁感应定律有$E_{0}=BLv_{1}$

根据闭合电路欧姆定律有$I_{0}=\dfrac{E_{0}}{r+R}$

导体棒受力平衡$mg\sin\theta=BI_{0}L$

解得$B=3\;\rm T$

导体棒进入磁场前流过电阻的电流;

[["

$\\dfrac{5}{3}\\ \\text{A}$

"]]

设导体棒进入磁场前运动时间为$t_{1}$,则有$t_{1}=\dfrac{v_{1}}{a_{1}}$

回路中磁感应强度的变化率$\dfrac{\Delta B}{\Delta t}=\dfrac{B-0}{t_{1}}$

设回路中感应电动势大小为$E$,根据法拉第电磁感应定律有$E=\dfrac{\Delta B}{\Delta t}L^{2}$

流过电阻的电流$I=\dfrac{E}{r+R}=\dfrac{5}{3}\ \text{A}$

导体棒从开始运动到出磁场的过程中回路产生的焦耳热。

[["

$6\\;\\rm J$

"]]

导体棒进入磁场前,回路中产生的热量$Q_{1}=I^{2}(R+r)t_{1}$$Q_{2}=I_{0}^{2}(R+r)t_{2}$

其中$t_{2}=\dfrac{L}{v_{1}}$

联立解得导体棒从开始运动到出磁场的过程中回路产生的焦耳热$Q=Q_{1}+Q_{2}=6\;\rm J$

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