题目
如图所示,有两根直径为d,中心线间的距离为3d的载流长直导线水平平行放置,在两导线(可视作导轨)间有一块质量为m的导体块,可在导轨上无摩擦的滑动,且与导轨两侧有良好的接触.导轨长为l(l >> d),导体和滑块的电阻不计,它们之间通过稳定电流I.求:(1)静止滑块从导轨的一端滑到另一端所经历的时间.(2)滑块离开导轨时的速度.I-|||-下-|||-`d m圈 uparrow 1-|||-业-|||-l
如图所示,有两根直径为d,中心线间的距离为3d的载流长直导线水平平行放置,在两导线(可视作导轨)间有一块质量为m的导体块,可在导轨上无摩擦的滑动,且与导轨两侧有良好的接触.导轨长为l(l >> d),导体和滑块的电阻不计,它们之间通过稳定电流I.
求:(1)静止滑块从导轨的一端滑到另一端所经历的时间.
(2)滑块离开导轨时的速度.
题目解答
答案

解析
步骤 1:确定导体块受到的安培力
导体块在两根载流长直导线之间,受到的安培力由两根导线产生的磁场决定。根据安培力公式,安培力 $F$ 为:
$$F = I \cdot L \cdot B$$
其中,$I$ 是电流,$L$ 是导体块的长度,$B$ 是磁场强度。由于两根导线产生的磁场方向相反,导体块受到的总安培力为两根导线产生的安培力之和。
步骤 2:计算磁场强度
根据毕奥-萨伐尔定律,一根载流长直导线在距离导线中心线 $r$ 处产生的磁场强度 $B$ 为:
$$B = \frac{\mu_0 I}{2\pi r}$$
其中,$\mu_0$ 是真空磁导率,$I$ 是电流,$r$ 是距离导线中心线的距离。对于两根导线,导体块受到的总磁场强度为两根导线产生的磁场强度之和。
步骤 3:计算安培力
将两根导线产生的磁场强度代入安培力公式,得到导体块受到的总安培力 $F$ 为:
$$F = I \cdot L \cdot \left(\frac{\mu_0 I}{2\pi d} - \frac{\mu_0 I}{2\pi (3d)}\right)$$
化简得到:
$$F = \frac{\mu_0 I^2 L}{2\pi d} \left(1 - \frac{1}{3}\right) = \frac{\mu_0 I^2 L}{3\pi d}$$
步骤 4:计算加速度
根据牛顿第二定律,导体块的加速度 $a$ 为:
$$a = \frac{F}{m} = \frac{\mu_0 I^2 L}{3\pi d m}$$
步骤 5:计算时间
导体块从导轨的一端滑到另一端,可以看作是匀加速直线运动。根据匀加速直线运动的公式,时间 $t$ 为:
$$t = \sqrt{\frac{2l}{a}} = \sqrt{\frac{2l}{\frac{\mu_0 I^2 L}{3\pi d m}}} = \sqrt{\frac{6\pi d m l}{\mu_0 I^2 L}}$$
化简得到:
$$t = \sqrt{\frac{6\pi d m l}{\mu_0 I^2 L}}$$
步骤 6:计算速度
导体块离开导轨时的速度 $v$ 为:
$$v = a \cdot t = \frac{\mu_0 I^2 L}{3\pi d m} \cdot \sqrt{\frac{6\pi d m l}{\mu_0 I^2 L}} = I \sqrt{\frac{\mu_0 l}{\pi d m}}$$
化简得到:
$$v = I \sqrt{\frac{\mu_0 l}{\pi d m}}$$
导体块在两根载流长直导线之间,受到的安培力由两根导线产生的磁场决定。根据安培力公式,安培力 $F$ 为:
$$F = I \cdot L \cdot B$$
其中,$I$ 是电流,$L$ 是导体块的长度,$B$ 是磁场强度。由于两根导线产生的磁场方向相反,导体块受到的总安培力为两根导线产生的安培力之和。
步骤 2:计算磁场强度
根据毕奥-萨伐尔定律,一根载流长直导线在距离导线中心线 $r$ 处产生的磁场强度 $B$ 为:
$$B = \frac{\mu_0 I}{2\pi r}$$
其中,$\mu_0$ 是真空磁导率,$I$ 是电流,$r$ 是距离导线中心线的距离。对于两根导线,导体块受到的总磁场强度为两根导线产生的磁场强度之和。
步骤 3:计算安培力
将两根导线产生的磁场强度代入安培力公式,得到导体块受到的总安培力 $F$ 为:
$$F = I \cdot L \cdot \left(\frac{\mu_0 I}{2\pi d} - \frac{\mu_0 I}{2\pi (3d)}\right)$$
化简得到:
$$F = \frac{\mu_0 I^2 L}{2\pi d} \left(1 - \frac{1}{3}\right) = \frac{\mu_0 I^2 L}{3\pi d}$$
步骤 4:计算加速度
根据牛顿第二定律,导体块的加速度 $a$ 为:
$$a = \frac{F}{m} = \frac{\mu_0 I^2 L}{3\pi d m}$$
步骤 5:计算时间
导体块从导轨的一端滑到另一端,可以看作是匀加速直线运动。根据匀加速直线运动的公式,时间 $t$ 为:
$$t = \sqrt{\frac{2l}{a}} = \sqrt{\frac{2l}{\frac{\mu_0 I^2 L}{3\pi d m}}} = \sqrt{\frac{6\pi d m l}{\mu_0 I^2 L}}$$
化简得到:
$$t = \sqrt{\frac{6\pi d m l}{\mu_0 I^2 L}}$$
步骤 6:计算速度
导体块离开导轨时的速度 $v$ 为:
$$v = a \cdot t = \frac{\mu_0 I^2 L}{3\pi d m} \cdot \sqrt{\frac{6\pi d m l}{\mu_0 I^2 L}} = I \sqrt{\frac{\mu_0 l}{\pi d m}}$$
化简得到:
$$v = I \sqrt{\frac{\mu_0 l}{\pi d m}}$$