2.如圖,MN、PQ兩條平行的光滑金屬軌道與水平面成θ角固定,軌距為d.空間存在勻強(qiáng)磁場,磁場方向垂直于軌道平面向上,磁感應(yīng)強(qiáng)度為B.P、M間接有阻值為3R的電阻.Q、N間接有阻值為6R的電阻,質(zhì)量為m的金屬桿ab水平放置在軌道上,其有效電阻為R.現(xiàn)從靜止釋放ab,當(dāng)它沿軌道下滑距離s時,達(dá)到最大速度.若軌道足夠長且電阻不計,重力加速度為g.求:
(1)金屬桿ab運(yùn)動的最大速度;
(2)金屬桿ab運(yùn)動的加速度為$\frac{1}{2}$gsinθ時,金屬桿ab消耗的電功率;
(3)金屬桿ab從靜止到具有最大速度的過程中,通過6R的電量;
(4)金屬桿ab從靜止到具有最大速度的過程中,克服安培力所做的功.

分析 (1)從靜止釋放ab,ab棒切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,相當(dāng)于電源,兩個定值電阻3R與6R并聯(lián),可求得總電阻.當(dāng)ab棒勻速運(yùn)動時,速度達(dá)到最大,根據(jù)平衡條件和安培力公式,求解金屬桿ab運(yùn)動的最大速度;
(2)金屬桿ab運(yùn)動的加速度為$\frac{1}{2}$gsinθ時,根據(jù)牛頓第二定律求得此時金屬桿ab運(yùn)動的速度,得到感應(yīng)電流,即可求得金屬桿ab消耗的電功率;
(3)根據(jù)法拉第定律、歐姆定律推導(dǎo)出電量表達(dá)式 q=$\frac{△Φ}{{R}_{總}}$,求出通過ab的電量,再得到通過6R的電量.
(4)金屬桿ab從靜止到具有最大速度的過程中,重力做正功,安培力做負(fù)功,根據(jù)動能定理求得導(dǎo)體棒ab克服安培力做功.

解答 解:(1)設(shè)金屬桿ab運(yùn)動的最大速度為v.
電路的總電阻為 R=R+R=$\frac{3R•6R}{3R+6R}$+R=3R;
電路中電流為 I=$\frac{Bdv}{{R}_{總}}$=$\frac{Bdv}{3R}$
當(dāng)金屬棒ab達(dá)到最大速度時受力平衡.則有
  mgsinθ=BId=$\frac{{B}^{2}7ha5gmv^{2}v}{3R}$     
解得最大速度為 v=$\frac{3mgRsinθ}{{B}^{2}qifitup^{2}}$  
(2)金屬桿ab運(yùn)動的加速度為$\frac{1}{2}$gsinθ 時,電路中電流設(shè)為I′.
根據(jù)牛頓第二定律F=ma,得:
  mgsinθ-BI′d=ma
解得 I′=$\frac{mgsinθ}{2Bd}$
金屬桿ab消耗的電功率 P=I′2R=$\frac{{m}^{2}{g}^{2}Rsi{n}^{2}θ}{4{B}^{2}vtxk8b3^{2}}$
(3)通過干路的總電量為 Q=$\frac{△Φ}{{R}_{總}}$=$\frac{Bds}{3R}$
由于3R與6R兩個電阻并聯(lián),所以,通過6R的電量為 Q1=$\frac{3R}{3R+6R}$Q=$\frac{Bds}{9R}$     
(4)金屬桿ab從靜止到具有最大速度的過程中,根據(jù)動能定理
  WG-W克安=△Ek
即有 mgssinθ-W克安=$\frac{1}{2}$mv2;                   
解得克服安培力所做的功 W克安=mgssinθ-$\frac{9{m}^{3}{g}^{2}{R}^{2}si{n}^{2}θ}{2{B}^{4}u7w31u7^{4}}$    
答:
(1)金屬桿ab運(yùn)動的最大速度是$\frac{3mgRsinθ}{{B}^{2}vjtwpao^{2}}$;
(2)金屬桿ab運(yùn)動的加速度為$\frac{1}{2}$gsinθ時,金屬桿ab消耗的電功率是$\frac{{m}^{2}{g}^{2}Rsi{n}^{2}θ}{4{B}^{2}drrux9g^{2}}$;
(3)金屬桿ab從靜止到具有最大速度的過程中,通過6R的電量是$\frac{Bds}{9R}$;
(4)金屬桿ab從靜止到具有最大速度的過程中,克服安培力所做的功是mgssinθ-$\frac{9{m}^{3}{g}^{2}{R}^{2}si{n}^{2}θ}{2{B}^{4}i671p7n^{4}}$.

點評 本題是電磁感應(yīng)中收尾速度問題,分別從力和能量兩個角度進(jìn)行研究.其中安培力的分析和計算是解題的關(guān)鍵步驟.

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