题目
B LI-|||-A zh-|||-La-|||-、如图,倾角为θ=37°的斜面内有两根足够长的平行导轨L1、L2,其间距L=0.5m,左端接有电容C=20000μF的平行板电容器。质量m=40g的导体棒可在导轨上滑动,导体棒和导轨的电阻不计。整个空间存在着垂直导轨所在平面的匀强磁场,磁感应强度B=2T.现使导体棒以速度vA=10m/s从A点开始沿导轨向上运动,经过时间t速度恰好为0,再经时间sqrt(5)t,回到A点,重力加速度取g=10m/s2.求:(1)导体棒从A点开始运动时,电容器上的电荷量QA;(2)导体棒与导轨间动摩擦因数的大小μ;(3)时间t的大小和返回A点时的速度vA′?
如图,倾角为θ=37°的斜面内有两根足够长的平行导轨L1、L2,其间距L=0.5m,左端接有电容C=20000μF的平行板电容器。质量m=40g的导体棒可在导轨上滑动,导体棒和导轨的电阻不计。整个空间存在着垂直导轨所在平面的匀强磁场,磁感应强度B=2T.现使导体棒以速度vA=10m/s从A点开始沿导轨向上运动,经过时间t速度恰好为0,再经时间$\sqrt{5}$t,回到A点,重力加速度取g=10m/s2.求:(1)导体棒从A点开始运动时,电容器上的电荷量QA;
(2)导体棒与导轨间动摩擦因数的大小μ;
(3)时间t的大小和返回A点时的速度vA′?
题目解答
答案
解:(1)导体棒从A点开始运动时的感应电动势:E=BLvA,
电容器两极板间电压:U=E,
电容器所带电荷量:QA=CU,
代入数据解得:QA=0.2C;
(2)电容器的充电电流:I=$\frac{△Q}{△t}=\frac{C△U}{△t}=\frac{CBL△v}{△t}$=CBLa,
对导体棒,由牛顿第二定律得:
导体棒向上运动过程:mgsinθ+μmgcosθ+BIL=ma1,
导体棒向下运动过程:mgsinθ-μmgcosθ-BIL=ma2,
解得:a1=$\frac{mg(sinθ+μcosθ)}{m-C{B}^{2}{L}^{2}}$,a2=$\frac{mg(sinθ-μcosθ)}{m+C{B}^{2}{L}^{2}}$,
金属棒向上与向下都做匀变速直线运动,
向上运动过程:x1=vAt-$\frac{1}{2}{a}_{1}{t}^{2}$,t=$\frac{{v}_{A}}{{a}_{1}}$,
向下运动过程:x2=$\frac{1}{2}{a}_{2}(\sqrt{5}t)^{2}$,
导体棒回到A点时向上运动的位移大小与向下运动的位移大小相等,即:x1=x2,
代入数据解得:μ=0.1875,a1=15m/s2,a2=3m/s2,t=$\frac{2}{3}$s;
(3)由(2)可知:t=$\frac{2}{3}$s,
导体棒返回A点时的速度:vA′=a2$•\sqrt{5}$t=3×$\sqrt{5}×\frac{2}{3}$m/s=2$\sqrt{5}$m/s;
答:(1)导体棒从A点开始运动时,电容器上的电荷量QA为0.2C;
(2)导体棒与导轨间动摩擦因数的大小μ为0.1875;
(3)时间t为$\frac{2}{3}$s,返回A点时的速度vA′为2$\sqrt{5}$m/s。
电容器两极板间电压:U=E,
电容器所带电荷量:QA=CU,
代入数据解得:QA=0.2C;
(2)电容器的充电电流:I=$\frac{△Q}{△t}=\frac{C△U}{△t}=\frac{CBL△v}{△t}$=CBLa,
对导体棒,由牛顿第二定律得:
导体棒向上运动过程:mgsinθ+μmgcosθ+BIL=ma1,
导体棒向下运动过程:mgsinθ-μmgcosθ-BIL=ma2,
解得:a1=$\frac{mg(sinθ+μcosθ)}{m-C{B}^{2}{L}^{2}}$,a2=$\frac{mg(sinθ-μcosθ)}{m+C{B}^{2}{L}^{2}}$,
金属棒向上与向下都做匀变速直线运动,
向上运动过程:x1=vAt-$\frac{1}{2}{a}_{1}{t}^{2}$,t=$\frac{{v}_{A}}{{a}_{1}}$,
向下运动过程:x2=$\frac{1}{2}{a}_{2}(\sqrt{5}t)^{2}$,
导体棒回到A点时向上运动的位移大小与向下运动的位移大小相等,即:x1=x2,
代入数据解得:μ=0.1875,a1=15m/s2,a2=3m/s2,t=$\frac{2}{3}$s;
(3)由(2)可知:t=$\frac{2}{3}$s,
导体棒返回A点时的速度:vA′=a2$•\sqrt{5}$t=3×$\sqrt{5}×\frac{2}{3}$m/s=2$\sqrt{5}$m/s;
答:(1)导体棒从A点开始运动时,电容器上的电荷量QA为0.2C;
(2)导体棒与导轨间动摩擦因数的大小μ为0.1875;
(3)时间t为$\frac{2}{3}$s,返回A点时的速度vA′为2$\sqrt{5}$m/s。