两根相距L=0.5m的足够长的金属导轨如图甲所示放置,他们各有一边在同一水平面上,另一边垂直于水平面.金属细杆ab、cd的质量均为m=50g,电阻均为R=1.0Ω,它们与导轨垂直接触形成闭合回路,杆与导轨之间的动摩擦因数μ=0.5,导轨电阻不计.整个装置处于磁感应强度大小B=1.0T、方向竖直向上的匀强磁场中.当ab杆在平行于水平导轨的拉力F作用下沿导轨向右运动时,从某一时刻开始释放cd杆,并且开始计时,cd杆运动速度vcd随时间变化的图象如图乙所示(在0~1.0s和2.0~3.0s内,cd做匀变速直线运动).
(1)求在0~1.0s时间内,回路中感应电流的大小;
(2)求在0~3.0s时间内,ab杆在水平导轨上运动的最大速度;
(3)已知1.0~2.0s内,ab杆做匀加速直线运动,在图丙中画出在0~3.0s内,拉力F随时间变化的图象.(不需要写出计算过程,只需画出图线)
网友回答
解:(1)在0-1s时间内,cd杆做匀加速运动,由图可知:
? a1===4.0m/s2
对cd杆进行受力分析,根据牛顿第二定律有,
?在竖直方向上
? mg-f1=ma1
?在水平方向上
? N1-F安1=0? f1=μN1,F安1=I1LB
代入数据可得:
?? I1=1.2A
(2)在2-3s时间内,a2==-4.0m/s2
?在竖直方向上
? mg-f2=-ma2
?在水平方向上
? N2-F安2=0 f2=μN2 ,F安2=I2LB
代入数据可得:I2=2.8A
所以? E2=2I2R=5.6A
又因为 E2=BLvm
所以? vm=11.2m/s
(2)在0-1.0s内,F1=0.85N,v1=4.8m/s
? 在2.0-3.0s内,F2=1.65N,v2=11.2m/s
? 在1-2s内,ab杆做加速度为6.4m/s2的匀加速运动,对ab杆分析根据牛顿第二定律有:
? F-μmg-BIL=ma
所以 F=1.17+0.8(t-1)
可得 Fmin=1.17N,Fmax=1.97N
故画出在0~3.0s内,拉力F随时间变化的图象所示.
答:
(1)在0~1.0s时间内,回路中感应电流的大小是1.2A;
(2)求在0~3.0s时间内,ab杆在水平导轨上运动的最大速度是11.2m/s;
(3)画出在0~3.0s内,拉力F随时间变化的图象所示.
解析分析:(1)由图看出,在0~1.0s时间内,cd杆做匀加速直线运动,所受的安培力是恒力,根据速度图象的斜率求出加速度,由牛顿第二定律和安培力公式求解回路中感应电流的大小;
(2)在2s~3s时间内,cd杆做匀减速直线运动,安培力最大.由图象的斜率求出加速度,根据牛顿第二定律可求出回路中感应电流的大小;由闭合电路欧姆定律
(3)分段由牛顿第二定律求出拉力,再作出图象.
点评:本题涉及电磁感应过程中的复杂受力分析,解决这类问题的关键是,根据法拉第电磁感应定律求解感应电动势,然后根据牛顿第二定律求解拉力的大小,进一步根据运动状态列方程求解.