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(2013·北京丰台一模,24题)(20分)

       如图所示,竖直平面内有一半径为r、内阻为R1、粗细均匀的光滑半圆形金属环,在M、N处与相距为2r、电阻不计的平行光滑金属轨道ME、NF相接,EF之间接有电阻R2,已知R1=12R,R2=4R。在MN上方及CD下方有水平方向的匀强磁场I和II,磁感应强度大小均为B。现有质量为m、电阻不计的导体棒ab,从半圆环的最高点A处由静止下落,在下落过程中导体棒始终保持水平,与半圆形金属环及轨道接触良好,两平行轨道中够长。已知导体棒ab下落r/2时的速度大小为v1,下落到MN处的速度大小为v2。

(1)求导体棒ab从A下落r/2时的加速度大小。

(2)若导体棒ab进入磁场II后棒中电流大小始终不变,求磁场I和II之间的距离h和R2上的电功率P2。

(3)当导体棒进入磁场II时,施加一竖直向上的恒定外力F=mg的作用,求导体棒ab从开始进入磁场II到停止运动所通过的距离和电阻R2上所产生的热量。

【答案】见解析

【解析】(1)(6分)以导体棒为研究对象,棒在磁场I中切割磁感线,棒中产生产生感应电动势,导体棒ab从A下落r/2时,导体棒在重力与安培力作用下做加速运动,

由牛顿第二定律,得                 ①(1分)

式中                                      ②(1分)   

                                         ③(1分)                  

=4R                         ④(2分)

由以上各式可得到                   ⑤(1分)

(2)(8分)当导体棒ab通过磁场II时,若安培力恰好等于重力,棒中电流大小始终不变,即,                             ⑥(1分)

                              ⑦(1分)

(或)

式中                 ⑧(1分)

解得                      ⑨(2分)

导体棒从MN到CD做加速度为g的匀加速直线运动,有

                          ⑩ (1分)

得                      (2分)

(3)(6分)由动量定理得    (1分)

     即         

     即                     (1分)

        联立⑨解得                 (1分)

       停下来过程中重力做正功、外力F和安培力做负功,由动能定理有

             

所以产生总热量为

                                     (1分)

       在电阻R2上产生的热量为           (1分)

       联立⑨解得:            (1分)

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A.方向垂直斜面向上        B.,方向垂直斜面向下

     C.,方向竖直向上         D.,方向竖直向下

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D.大小和方向均改变

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远日点

近日点

神舟星

3.575AU

2.794AU

杨利伟星

2.197AU

1.649AU

    注:AU是天文学中的长度单位,1AU=149 597 870 700m(大约是地球到太阳的平均距离)。

“神舟星”和“杨利伟星”绕太阳运行的周期分别为T1和T2,它们在近日点的加速度分别为a1和a2。则下列说法正确的是

A.,                         B.,

C.,                            D.,

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