如图所示,在一光滑水平的桌面上,放置一质量为M.宽为L的足够长“U”形框架,其ab部分电阻为R,框架其他部分的电阻不计.垂直框架两边放一质量为m.电阻为R的金属棒cd,它们之间的动摩擦因数为μ,棒通过细线跨过一定滑轮与劲度系数为k.另一端固定的轻弹簧相连.开始弹簧处于自然状态,框架和棒均静止.现在让框架在大小为2 μmg的水平拉力作用下,向右做加速运动,引起棒的运动可看成是缓慢的.水平桌面位于竖直向上的匀强磁场中,磁感应强度为B.问:
(1)框架和棒刚开始运动的瞬间,框架的加速度为多大?
(2)框架最后做匀速运动(棒处于静止状态)时的速度多大?
(3)若框架通过位移s后开始匀速运动,已知弹簧弹性势能的表达式为(x为弹簧的形变量),则在框架通过位移s的过程中,回路中产生的电热为多少?
(1) (2)
(3)
(1)设水平拉力为F ,则 ①
对框架由牛顿第二定律得 ② 解得
(2)设框架做匀速运动的速度大小为v,
则感应电动势 ③
回路中的电流 ④
对框架由力的平衡得 ⑤
联立上式解得
(3)在框架滑过s的过程中,设产生的电热为Q1 ,摩擦生热为Q2
由功能关系得 ⑥
其中 ⑦
在框架匀速运动后,对棒由力的平衡得
⑧
另有
⑨
联立以上各式得
本题考查电磁感应与牛顿运动定律的结合问题,分析导体棒的受力情况,因为导体棒匀速运动,受力平衡,列平衡的公式求解,在运动过程中由能量守恒,F做的功转化为动能、弹性势能、焦耳热、摩擦生热