| 安培力的常见力学问题 题目答案及解析

稿件来源:高途

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选修3-1

第三章 磁场

3.4 通电导线在磁场中受到的力

安培力的常见力学问题

$2022$年,我国阶段性建成并成功运行了“电磁橇”,创造了大质量电磁推进技术的世界最高速度纪录。一种两级导轨式电磁推进的原理如图所示,两间距为$L$的平行长直光滑金属导轨固定在同一水平面内,导轨间垂直安放金属棒,电流从一导轨流入,经过金属棒,再从另一导轨流回(图中未画出电源)。两导轨电流在金属棒所在处产生的磁场可视为匀强磁场,磁感应强度$B$与电流$I$的关系为$B=kI$$k$为常量)。

金属棒经过第一级区域时,回路中的电流为$I$,则金属棒在大小为$F=$                 的安培力作用下被推动。

[["$kI^{2}L$"]]

由题意可知第一级区域中磁感应强度大小为$B_{1}=kI$

金属棒经过第一级区域时受到安培力的大小为$F=B_{1}IL=kI^{2}L$

当金属棒由第一级区域进入第二级区域时,回路中的电流由$I$变为$2I$。则

①金属棒在第一、第二级区域的加速度大小之比$a_{1}:a_{2}=$                 

②(计算)每一级区域中金属棒被推进的距离若均为$s$,金属棒的质量为$m$,求金属棒从静止开始经过两级区域推进后的速度大小$v=$                 

[["$1:4$","$I\\sqrt{\\dfrac{10kLs}{m}}$"]]

①根据牛顿第二定律可知,金属棒经过第一级区域的加速度大小为$a_{1}=\dfrac{F}{m}=\dfrac{kI^{2}L}{m}$

金属棒经过第二级区域时磁感应强度大小为$B_{2}=2kI$

受到安培力的大小为$F'=B_{2}2IL=4kI^{2}L$

金属棒经过第二级区域的加速度大小为$a_{2}=\dfrac{F'}{m}=\dfrac{4kI^{2}L}{m}$

联立解得金属棒经过第一、二级区域的加速度大小之比为$a_{1}:a_{2}=1:4$

②金属棒从静止开始经过两级区域推进后,根据动能定理可得$Fs+F's=\dfrac{1}{2}mv^{2}$

解得金属棒从静止开始经过两级区域推进后的速度大小为$v=I\sqrt{\dfrac{10kLs}{m}}$

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