如图所示,水平面上固定着两根足够长的光滑平行金属导轨,间距为L,左端连接阻值为R的电阻。导轨上放置导体棒,导体棒上固定着一个与导体棒垂直的遮光板,宽度为d。在导轨上间距均为x0的a、b、c三个位置上各固定一个光电门,用来配合光电计数器记录遮光板通过光电门时的挡光时间(挡光过程中可以认为遮光板的运动是匀速的),金属棒和遮光板的总质量为m,棒的电阻也为R,导轨电阻忽略不计。匀强磁场方向竖直向上,磁感应强度为B。导体棒通过不可伸长的细线经光滑定滑轮与质量也为m的重物相连。现将重物由如图所示的位置释放后与导体棒一起运动,始终保持导体棒与导轨垂直且接触良好。计数器得到遮光板通过第一个光电门的时间为△t1,通过第二个和第三个光电门的时间均为△t2。(重力加速度为g)
(1)计算导体棒通过第一个光电门时的安培力;
(2)导体棒从第一个光电门到第三个光电门的过程中电阻R上产生的焦耳热;
(3)试在图乙中粗略画出导体棒从开始运动到通过第三个光电门时的v-t图象。其中t1、t2、t3分别表示导体棒通过三个光电门的时刻。
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解:(1)导体棒通过第一个光电门时,设棒上电动势为E,电流为I,棒的速度为v1,有:
安培力F=IBL
I=
E=BLv1
v1=
可得:F=
(2)导体棒通过第三个光电门时的速度为v3=
从第一个光电门到第三个光电门的过程2mgx0=×2mv32-
×2mv12+Q
Q为电路中的总热量
则,电阻R上产生的焦耳热为Q1=Q
可得:Q1=mgx0-×m
+
×m
(3)速度图象如图