问题 问答题

如图甲所示,MNCD为一足够长的光滑绝缘斜面,EFGH范围内存在方向垂直斜面的匀强磁场,磁场边界EF、HG与斜面底边MN(在水平面内)平行.一正方形金属框abcd放在斜面上,ab边平行于磁场边界.现使金属框从斜面上某处由静止释放,金属框从开始运动到cd边离开磁场的过程中,其运动的v-t图象如图乙所示.已知金属框电阻为R,质量为m,重力加速度为g,图乙中金属框运动的各个时刻及对应的速度均为已知量,求:

(1)斜面倾角的正弦值和磁场区域的宽度;

(2)金属框cd边到达磁场边界EF前瞬间的加速度;

(3)金属框穿过磁场过程中产生的焦耳热.

答案

(1)由图乙可知,在0~t1时间内金属框运动的加速度

            a1=

v1
t1

         设斜面的倾角θ,由牛顿第二定律有  a1=gsinθ

            解得  sinθ=

v1
gt1

        在t1~2t1时间内金属框匀速进入磁场,则  l0=v1t1

        在2t1~3t1时间内,金属框运动位移  s=

3v1t1
2

        则磁场的宽度  d=l0+s=

5v1t1
2

(2)在t2时刻金属框cd边到达EF边界时的速度为v2,设此时加速度大小为a2

     cd边切割磁场产生的电动势   E=Bl0v2         

      受到的安培力   F=

BEl0
R

     由牛顿第二定律  F-mgsinθ=ma2

     金属框进入磁场时  mgsinθ=

B2v12l0
R
   

          解得  a2=

v2-v1
t1

     加速度方向沿斜面向上.

(3)金属框从t1时刻进入磁场到t2时刻离开磁场的过程中,由功能关系得mg(d+l0)•sinθ=

1
2
m
v22
-
1
2
m
v21
+Q

           解得  Q=4m

v21
-
1
2
m
v22

答:(1)斜面倾角的正弦值等于

v1
gt1
,磁场区域的宽度s=
5v1t1
2

    (2)金属框cd边到达磁场边界EF前瞬间的加速度大小为

v2-v1
t1
,方向沿斜面向上.

    (3)金属框穿过磁场过程中产生的焦耳热 Q=4m

v21
-
1
2
m
v22

填空题
不定项选择