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如图所示,P、Q为足够长的光滑平行固定导轨,两者之间的距离为L=20cm,其电阻不计。导轨所在平面有沿竖直方向的匀强磁场,磁感应强度大小为B=5T,导轨右端连接着一电路,其中R1=10Ω,R2=20Ω,R3=15Ω,R4=25Ω,平行板电容器板间距离d=10cm ,电容C=5μF,板间有一质量为m=1.0×10-8kg,带电量为q=-0.5×10-8 C的带电液滴。导体棒ab的电阻不计,质量为M=0.5kg,垂直于导轨PQ放置且与之良好接触,在外力作用下,ab始终沿水平方向向左做匀速直线运动。当开关S接通位置1时,带电液滴恰好处于静止状态。试回答以下问题:(重力加速度g=10m/s2)

(1)判断导轨平面内磁感线的方向,要求简要说明理由。

(2)求外力做功的功率。

(3)计算当开关由位置1转换到位置2时,带电液滴的加速度及流过电容器的电量。

(1)由右手定则判断出磁感线方向竖直向上;原因见解析

(2)

(3),方向向下;


解析:

(1)因为当开关S接通位置1时,带电液滴恰好处于静止状态,说明带电液滴受到竖直向上的电场力,而带电液滴带负电,因而导体棒ab的b端电势高而a端电势低,电流方向由a指向b。由右手定则判断出磁感线方向竖直向上。(5分)

(2)设R1两端电压为U1,R2两端电压为U2,导体切割磁感线速率为,外力的大小为F

当开关接通位置1时,带电液滴恰好处于静止状态,所以有:

     ①      (1分)

因为R1与R2串联,所以有:    ②      (1分)

设导体棒ab做切割磁感线运动产生的感应电动势为,则

     ③        (1分)

又:               ④        (1分)

联立以上各式代数求解得:,,,,

设外力的大小为F,外力做功的功率为P,则有

       ⑤           (1分)

导体棒做匀速运动,外力的大小与安培力相等,所以有

                 ⑥           (1分)

代数求解得,外力做功的功率为                   (1分)

(3)设带电液滴的加速度大小为,由牛顿第二定律有:

          ⑦              (2分)

代数求解得:,方向向下。                     (1分)

设开关接位置1与位置2时,电容器所带电量分别为和

则:       ⑧                  (1分)

       ⑨                  (1分)

由电路可判断出,当开关由位置1转换到位置2时,流过电容器的电量为

      ⑩                  (3分)

说明:用其它方法求解,只要正确,同样给分。

练习册系列答案
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如图所示,P、Q为水平面内平行放置的光滑金属长直导轨,间距为L1,处在竖直向下、磁感应强度大小为B1的匀强磁场中.一导体杆ef垂直P、Q放在导轨上,在外力作用下向左做匀速直线运动.质量为 m、每边电阻均为r、边长为L2的正方形金属框 abcd 置于竖直平面内,两顶点 a、b通过细导线(重力不计)与导轨相连,磁感应强度大小为 B2的匀强磁场垂直金属框向里,金属框恰好处于静止状态.不计其余电阻和细导线对a、b点的作用力.则
(1)判断流过dc边电流的方向;
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(1)通过ab边的电流Iab;
(2)导体杆ef做匀速直线运动的速度v;
(3)外力做功的功率P外;
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(1)棒ab的最大速度;
(2)棒ab达最大速度时电容器的带电量;
(3)在棒ab达最大速度后,断开开关S、并同时撤去水平拉力F,此后电阻R1产生的热量多大?

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