Question

13．如圖，矩形的水平管，管道的長(zhǎng)為L(zhǎng)、寬為d、高為h．上下兩面是絕緣板，前后兩側(cè)面M、N是電阻可忽略的導(dǎo)體板，兩導(dǎo)體板與開關(guān)S和定值電阻R相連．整個(gè)管道置于磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，方向沿z軸正方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中．管道內(nèi)內(nèi)始終充滿電阻率為ρ的導(dǎo)電液體（有大量的正、負(fù)離子），且開關(guān)閉合前后，液體在管道內(nèi)進(jìn)、出口兩端壓強(qiáng)差的作用下均以恒定速率v₀沿x軸正向流動(dòng)，液體所受的摩擦阻力不變．
（1）判斷導(dǎo)體板M、N兩板電勢(shì)的高低，并求出兩板的電勢(shì)差大小U；
（2）電鍵閉合后，電阻R獲得的電功率P；
（3）開關(guān)閉合前后，管道兩端壓強(qiáng)差的變化△p．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)洛倫茲力等于電場(chǎng)力，即可求解；
（2）根據(jù)歐姆定律與電阻定律，結(jié)合功率表達(dá)式，即可求解；
（3）由功率表達(dá)式，結(jié)合數(shù)學(xué)知識(shí)求極值法，即可求解．

解答 解：
（1）由左手定則可知，導(dǎo)體板M電勢(shì)較高．
設(shè)帶電離子所帶電量為q，當(dāng)其所受的洛倫茲力與電場(chǎng)力相平衡時(shí)，U保持恒定，則有：$q{v}_{0}B=q\frac{U}n6bmchc$
解得：U=Bdv₀；
（2）由閉合電路歐姆定律I=$\frac{U}{R+r}$
由電阻定律可求兩導(dǎo)體板間液體的電阻r=ρ$\frac2r0oxas{Lh}$
電阻R獲得的功率為：P=I²R
聯(lián)立得：P=$（\frac{BLh{v}_{0}d}{RLh+ρd}）^{2}R$
（3）設(shè)開關(guān)閉合前后，管道兩端壓強(qiáng)差分別為P₁、P₂，液體所受的摩擦阻力均為f，開關(guān)閉合后管道內(nèi)液體受到安培力為F_安，
則有
P₁hd=f
P₂hd=f+F_安
F_安=BId
結(jié)合（2）中式子解得：管道兩端壓強(qiáng)差的變化為：△P=$\frac{Ld{v}_{0}{B}^{2}}{RLh+ρd}$；
答：（1）導(dǎo)體板M電勢(shì)較高，且兩板的電勢(shì)差大小Bdv₀；
（2）電鍵閉合后，電阻R獲得的電功率$（\frac{BLh{v}_{0}d}{RLh+ρd}）^{2}R$；
（3）開關(guān)閉合前后，管道兩端壓強(qiáng)差的變化$\frac{Ld{v}_{0}{B}^{2}}{RLh+ρd}$．

點(diǎn)評(píng) 考查帶電粒子受到洛倫茲力與電場(chǎng)力相平衡的應(yīng)用，掌握壓強(qiáng)公式與安培力表達(dá)式，注意液體受到安培力的模型建立，同時(shí)理解會(huì)求極值的方法．