如图所示,两平行光滑的金属导轨AD、CE相距L=1.0m,导轨平面与水平面的夹角α=30°,下端用导线连接R=0.40Ω的电阻,导轨电阻不计.PQGH范围内存在方向垂直导轨平面的磁场,磁场的宽度d=0.40m,边界PQ、HG均与导轨垂直.质量m=0.10kg、电阻r=0.10Ω的金属棒MN垂直放置在导轨上,且两端始终与导轨电接触良好,从与磁场上边界GH距离也为d的位置由静止释放,取g=10m/s2.
(1)若PQGH范围内存在着磁感应强度随高度变化的磁场(在同一水平线上各处磁感应强度相同),金属棒进入磁场后,以a=2.5m/s2的加速度做匀加速运动,求磁场上边缘(紧靠GH)的磁感应强度;
(2)在(1)的情况下,金属棒在磁场区域运动的过程中,电阻R上产生的热量是多少?
(3)若PQGH范围内存在着磁感应强度B=0.50T的匀强磁场,金属棒在磁场中运动过程受到F=(0.75v-0.5)N(v为金属棒运动速度)沿导轨向下的力作用,求金属棒离开磁场时的速度.
(1)设磁场上边缘的磁感应强度为B0,金属棒刚进入磁场时的速度为v0、产生的感应电流为I0、受到的安培力为F0,
则有 I0=
--①F0=B0I0L---②B0Lv0 R+r
m1 2
=mgdsinα---③mgsinα-F0=ma----④v 20
由①②③④,代入数据解得 B0=0.25T
(2)设电阻R上产生的热量为Q,金属棒到达磁场下边界时的速度为v,则v2=
+2ad---⑤v 20
Q总=mg•2dsinα-
mv2----⑥1 2
Q=
Q总-----⑦R R+r
由⑤⑥⑦代入数据解得 Q=0.080J
(3)设金属棒离开磁场时的速度为v',则mgsinα+F-F安=m△v △t
其中 F安•△t=BIL•△t=B
L•△t=BLv R+r
△xB2L2 R+r
则 ∑(
mg•△t+F•△t-1 2
△x)=m(v′-v0)B2L2 R+r
代入数据解得 v'=3.0m/s
故答案为:(1)B0=0.25T
(2)Q=0.080J
(3)v'=3.0m/s