如图,光滑斜面的倾角= 30°,在斜面上放置一矩形线框abcd,ab边的边长l1 = l m,bc边的边长l2= 0.6 m,线框的质量m = 1 kg,电阻R = 0.1Ω,线框通过细线与重物相连,重物质量M = 2 kg,斜面上ef线(ef∥gh)的右方有垂直斜面向上的匀强磁场,磁感应强度B = 0.5 T,如果线框从静止开始运动,进入磁场最初一段时间是匀速的,ef线和gh的距离s = 11.4 m,(取g = 10.4m/s2),求:
⑴线框进入磁场前重物M的加速度;
⑵线框进入磁场时匀速运动的速度v;
⑶ab边由静止开始到运动到gh线处所用的时间t;
⑷ab边运动到gh线处的速度大小和在线框由静止开始到运动到gh线的整个过程中产生的焦耳热.
【解析】(1)线框进入磁场前,线框仅受到细线的拉力FT,斜面的支持力和线框重力,重物M受到重力和拉力FT.对线框,由牛顿第二定律得FT – mg sinα= ma (2分)
联立解得线框进入磁场前重物M的加速度= 5m/s2 (2分)
(2)因为线框进入磁场的最初一段时间做匀速运动,所以重物受力平衡Mg = FT′,
线框abcd受力平衡FT′= mg sinα + FA(1分)
ab边进入磁场切割磁感线,产生的电动势E = Bl1v 形成的感应电流(1分)
受到的安培力(1分)
联立上述各式得,Mg = mg sinα+(1分)
代入数据解得v=6 m/s(1分)
(3)线框abcd进入磁场前时,做匀加速直线运动;进磁场的过程中,做匀速直线运动;进入磁场后到运动到gh线,仍做匀加速直线运动.
进磁场前线框的加速度大小与重物的加速度相同,为a = 5 m/s2
该阶段运动时间为(1分)
进磁场过程中匀速运动时间(1分)
线框完全进入磁场后线框受力情况同进入磁场前,所以该阶段的加速度仍为a = 5m/s2
解得:t3 =1.2 s(1分)
因此ab边由静止开始运动到gh线所用的时间为t = t1+t2+t3=2.5s (1分)
(4)线框ab边运动到gh处的速度v′=v + at3 = 6 m/s+5×1.2 m/s=12 m/s (1分)
整个运动过程产生的焦耳热Q = FAl2 =(Mg – mgsinθ)l2 = 9 J (3分)
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