Question

如圖所示，光滑且足夠長的平行金屬導軌MN和PQ固定在同一水平面上，兩導軌間距，電阻，導軌上靜止放置一質量、電阻的金屬桿，導軌電阻忽略不計，整個裝置處在磁感應強度的勻強磁場中，磁場的方向豎直向下，現用一外力沿水平方向拉桿，使之由靜止起做勻加速運動并開始計時，若5s末桿的速度為2.5m/s，求：

（1）5s末時電阻上消耗的電功率；

（2）5s末時外力的功率.

（3）若桿最終以8m/s的速度作勻速運動,此時閉合電鍵S,射線源Q釋放的粒子經加速電場C加速后從孔對著圓心進入半徑的固定圓筒中（筒壁上的小孔只能容一個粒子通過），圓筒內有垂直水平面向下的磁感應強度為的勻強磁場。粒子每次與筒壁發生碰撞均無電荷遷移,也無機械能損失，粒子與圓筒壁碰撞5次后恰又從孔背離圓心射出,忽略粒子進入加速電場的初速度,若粒子質量,電量,則磁感應強度多大？若不計碰撞時間,粒子在圓筒內運動的總時間多大？

 

Answer 1

【答案】

（1）0.1W（2）0.25W（3） 

【解析】

試題分析：（1）5s末桿產生的電動勢：，

電流大小為：

電阻上消耗的電功率

（2）金屬棒的加速度：，由牛頓第二定律可知：

桿受的安培力大小為：

則外力F的功率：

由以上式子可得：

（3）此時回路電流強度為:

加速電場的電壓為：

根據動能定理：

粒子從C孔進入磁場的速度

由題意知：粒子與圓筒壁碰撞5次后從孔離開磁場,由幾何關系求得：，軌跡半徑，又因為：

故：

又：，粒子作圓周運動轉過的圓心角為：

根據：及

得：，粒子在圓筒內運動的總時間: 

考點：法拉第電磁感應定律、帶電粒子在磁場中的圓周運動

點評：本題的綜合程度相當高，題目難度大，比較難得全分。其中第一、二兩問還比較常見，第三問中，根據所求的進入磁場的速度，利用軌跡可以建立求解的等式。