问题 计算题

如图所示,光滑斜面的倾角=30°,在斜面上放置一矩形线框abcd,ab边的边长l1=lm,bc边的边长l2=0.6m,线框的质量m=1kg,电阻R=0.1Ω,线框受到沿光滑斜面向上的恒力F的作用,已知F=10N.斜面上ef线(ef∥gh)的右方有垂直斜面向上的均匀磁场,磁感应强度B随时间t的变化情况如B-t图象,时间t是从线框由静止开始运动时刻起计的.如果线框从静止开始运动,进入磁场最初一段时间是匀速的,ef线和gh的距离s=5.1m,求:

(1)线框进入磁场时匀速运动的速度v;

(2)ab边由静止开始到运动到gh线处所用的时间t;

(3)线框由静止开始到运动到gh线的整个过程中产生的焦耳热

答案

(1)2m/s(2)1s(3)3.5J

(1)因为线框进入磁场的最初一段时间做匀速运动,

所以线框abcd受力平衡F=mgsinα+FA           

ab边进入磁场切割磁感线,产生的电动势E=Bl1v          

形成的感应电流            

受到的安培力                 

F=mgsinα+                   

代入数据解得v=2m/s                   

(2)线框abcd进入磁场前时,做匀加速直线运动;进磁场的过程中,做匀速直线运动;进入磁场后到运动到gh线,仍做匀加速直线运动。

线框进入磁场前,线框仅受到细线的拉力F、斜面的支持力和线框重力,由牛顿第二定律得F–mgsinα=ma

线框进入磁场前的加速度=5m/s2    

进磁场前线框的运动时间为          

进磁场过程中匀速运动时间    

线框完全进入磁场后线框受力情况同进入磁场前,所以该阶段的加速度仍为a=5m/s2

解得:t3=1s                         

因此ab边由静止开始运动到gh线所用的时间为t=t1+t2+t3=1.7s         

(3)              

          

整个运动过程产生的焦耳热Q=FAl2+Q1=(F–mgsinθ)l2+Q1=3.5J 

本题考查电磁感应定律与牛顿运动定律的结合,当线框匀速进入磁场时,分析受力后列受力平衡的公式进行求解,第三问中,感应电动势为一定值,相当于直流电,所以可用求产生的焦耳热

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