Question

5．如圖，豎直平面內(nèi)放著兩根間距L=1m，電阻不計(jì)的足夠長平行金屬板M，N，兩板間接一阻值R=2Ω的電阻，N板上有一小孔Q，在金屬板M，N及CD上方有垂直紙面向里的磁感應(yīng)強(qiáng)度B₀=1T的有界勻強(qiáng)磁場，N板右側(cè)區(qū)域KL上，下部分分別充滿方向垂直紙面向外和向里的勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小分別為B₁=3T和B₂=2T，有一質(zhì)量M=0.2kg，電阻r=1Ω的金屬棒搭在MN之間并與MN良好接觸，用輸出功率恒定的電動機(jī)拉著金屬棒豎直向上運(yùn)動，當(dāng)金屬棒到達(dá)最大速度時，在與Q等高并靠近M板的P點(diǎn)靜止釋放一個比荷$\frac{q}{m}$=1×10⁴C/kg的正離子，經(jīng)電場加速后，以v=200m/s的速度從Q點(diǎn)垂直于N板邊界射入右側(cè)區(qū)域，不計(jì)離子重力，忽略電流產(chǎn)生的磁場，取g=10m/s²，求：
（1）金屬棒達(dá)最大速度時，電阻R兩端電壓U；
（2）電動機(jī)的輸出功率P；
（3）離子從Q點(diǎn)進(jìn)入右側(cè)磁場后恰好不會回到N板，Q點(diǎn)距離分界線高h(yuǎn)等于多少．

Answer 1

分析 （1）粒子從P到Q是直線加速，根據(jù)動能定理求解板間電壓，即為R兩端電壓；
（2）根據(jù)歐姆定律求解電流，根據(jù)安培力公式求解安培力，根據(jù)平衡條件求解拉力，最后結(jié)合切割公式和功率公式列式，聯(lián)立求解即可；
（3）粒子在y軸右側(cè)做勻速圓周運(yùn)動，洛倫茲力提供向心力，根據(jù)牛頓第二定律求解軌道半徑；軌跡恰好與y軸相切，根據(jù)幾何關(guān)系求解Q點(diǎn)距離分界線高h(yuǎn)．

解答 解：（1）離子從P運(yùn)動到Q，由動能定理：$qU=\frac{1}{2}m{v}^{2}$        ①
解得R兩端電壓：U=2V                                    ②
（2）電路的電流：$I=\frac{U}{R}$                                 ③
安培力：F_安=B₀IL                                    ④
受力平衡：F=Mg+F_安                                    ⑤
由閉合電路歐姆定律：E=I（R+r）                         ⑥
感應(yīng)電動勢：E=B₀Lv_m                                  ⑦
功率：P=Fv_m                                        ⑧
聯(lián)立②-⑧式解得：電動機(jī)功率P=9W                       ⑨
（3）如圖所示，設(shè)離子恰好不會回到N板時，對應(yīng)的離子在上、下區(qū)域的運(yùn)動半徑分別為r₁和r₂，圓心的連線與N板的夾角為φ．
在磁場B₁中，由$qv{B}_{1}=m\frac{{v}^{2}}{{r}_{1}}$             ⑩
解得運(yùn)動半徑為${r}_{1}=\frac{2}{3}×1{0}^{-2}m$           
在磁場B₂中，由$qv{B}_{2}=m\frac{{v}^{2}}{{r}_{2}}$           
解得運(yùn)動半徑為${r}_{2}=1×1{0}^{-2}m$          
由幾何關(guān)系得：
（r₁+r₂）sinφ=r₂   　   
r₁+r₁cosφ=h 
聯(lián)立解得：
h=1.2×10^-2m
答：（1）金屬棒達(dá)最大速度時，電阻R兩端電壓U為2V；
（2）電動機(jī)的輸出功率P為9W；
（3）離子從Q點(diǎn)進(jìn)入右側(cè)磁場后恰好不會回到N板，Q點(diǎn)距離分界線高h(yuǎn)等于1.2×10^-2m．

點(diǎn)評 本題是力電綜合問題，物體多、過程多、規(guī)律多，關(guān)鍵是明確電路結(jié)構(gòu)和粒子的運(yùn)動規(guī)律，結(jié)合閉合電路歐姆定律、功率、牛頓第二定律等規(guī)律列式求解，要能畫出粒子運(yùn)動軌跡，結(jié)合幾何關(guān)系分析．