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,间距$L=1\;\rm m$的导轨$MNPQ$$M'N'P'Q$水平放置,$NP$$N'P'$为半径$r=0.4\;\rm m$的半圆弧,其中$NN'$是一小段的绝缘材料,其余部分均导电,水平轨道和半圆弧轨道平滑连接。$MM'$处连接一充满电的电容器,电容$C=0.1\;\rm F$$MN$$M'N'$上垂直导轨放置两根质量均为$m=0.1\;\rm kg$的导体棒,$b$棒放在绝缘处,$a$棒在$b$棒左侧且相距足够远,$QQ'$连接有一$R=1\;\rm \Omega$的定值电阻。整个装置处于竖直向上磁感应强度$B=1\;\rm T$的匀强磁场中,接通开关$\rm S_{1}$$a$棒被弹射出后与$b$棒发生弹性碰撞,碰后给$b$棒施加外力使其沿轨道匀速率运动,$b$棒运动至最低点时受到的支持力$F_{\rm N}=2\;\rm N$,运动到$PP'$时撤去外力后使其沿水平轨道自由滑行直至停止,运动过程中$a、b$棒始终与导轨垂直且接触良好。不计其他电阻,忽略一切阻力,取$g=10\;\rm m/s^{2}$$\pi=3$,求:

$b$棒运动到最低点回路中的感应电流大小;

[["

$2\\;\\rm A$

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$b$棒运动至最低点,由牛顿第二定律$F_{\text{N}}-mg= m\dfrac{v_{b}^{2}}{r}$

代入题中数据,解得$v_{b}=2\;\rm m/s$

则电流$I=\dfrac{E}{R}=\dfrac{BLv_{b}}{R}=2\;\rm \text{A}$

电容器初始时的电压$U_{0}$及弹射$a$棒释放的电荷量$q$

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$U_{0}=4\\;\\rm V$$q=0.2\\;\\rm C$

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质量相等的$a$$b$棒发送弹性碰撞,速度互换,可知碰前$a$棒速度$v_{a}=v_{b}=2\;\rm m/s$,规定向右为正方向,对$a$棒,由动量定理有$∑BIL ⋅ \Delta t=m_{a}v_{a}$

因为$BIq=m_{a}v_{a}$

联立解得$q=0.2\;\rm C$

电容器释放电荷量与通过$a$棒的电荷量相等,则$q=C(U_{0}-U')$

$a$棒被弹射时运动距离足够长,可知$a$棒的电动势与电容器的电压相等,即$U'=BLv_{a}=2\;\rm V$

联立求得$U_{0}=4\;\rm V$

整个过程中$R$上产生的焦耳热。

[["

$1.4\\;\\rm J$

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$b$棒在圆弧运动时产生的感应电动势等效为正弦式交变电流,电动势有效值$E_{有}=\dfrac{E}{\sqrt{2}}= \sqrt{2}\;\rm \text{V}$

产生的焦耳热$Q_{1}=\dfrac{E_{有}^{2}}{R}t$

联立解得$Q_{1}=1.2\;\rm J$

撤去外力后,$b$棒的动能全部转化为焦耳热$Q_{2}=\dfrac{1}{2}m_{b}v_{b}^{2}=0.2\;\rm \text{J}$

故整个过程中$R$上产生的焦耳热$Q=Q_{1}+Q_{2}=1.4\;\rm J$

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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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