题号:6338    题型:解答题    来源:2023年高考临汾市第二次模拟考试理综-物理试题与答案
如图所示, 两光滑平行金属导轨 $M N 、 P Q$ 间距为 $L$, 与水平面成 $\theta=30^{\circ}, M P$ 间接 有阻值为 $R$ 的电阻。完全相同的两金属棒 $a b 、 c d$ 垂直导轨放置, 与导轨接触良好。两棒 面向上, 导轨电阻不计。开始时让 $a b 、 c d$ 静止于卡槽 $E F$ 处, 现用轻质绝缘细线一端连接 $a b$, 另一端绕过光滑定滑轮与重物 $W$ 相连, 用手托着重物 $W$ 使细绳伸直且佮无张力。访 手后重物 $W$ 下降的高度为 $x$ 时, $a b$ 棒的速度达到最大, 此时 $c d$ 棒对卡槽 $E F$ 恰好无压26. (20 分) 力。已知重力加速度为 $g$, 在 $a b$ 棒从开始运动 到最大速度的过程中,求:
(1) 重物 $W$ 的质量及 $a b$ 棒的最大速度 $v_{\max }$;
(2) 电阻 $R$ 上产生的焦耳热 $Q_R$ ;
(3) $a b$ 棒运动的时间 $t$.
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答案:
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解: (1) $a b$ 棒达到最大速度时, 以 $c d$ 棒为研究对象, 受力平衡
$B I_{c d} L=m g \sin \theta$
以 $a b$ 棒和重物 $W$ 为研究对象, 此时受力分析得
$M g=m g \sin \theta+B I_{a b} L$
根据欧姆定律 $I_{a b}=2 I_{c d}$

联立解得: $M=\frac{3}{2} m$

根据闭合电路欧姆定律 $E=I_{a b} R_{\text {总 }}$

其中 $R_{\text {总 }}=R+\frac{1}{2} R=\frac{3}{2} R$
根据法拉第电磁感应定律 $E=B L v_{\max }$

联立解得 $v_{\text {max }}=\frac{3 m g R}{2 B^2 L^2}$

(2) 对该系统根据能量守恒有
$$
M g x-m g x \sin \theta=\frac{1}{2}(M+m) v_{\max }^2+Q_{\text {总 }}
$$
其中电阻 $R$ 上产生的焦耳热 $Q_R=\frac{1}{6} Q_{\text {总 }}$
解得: $Q_R=\frac{1}{6} m g x-\frac{15 m^3 g^2 R^2}{32 B^4 L^4}$

(3) 设此过程中绳子的平均张力为 $\bar{F}$, 对重物 $W$, 由动量定理得:
$$
M g t-\bar{F} t=M v_{\max }
$$
对 $a b$ 棒, 由动量定理得:
$$
\bar{F} t-(m g \sin \theta) \cdot t-B \overline{I_{a b}} L \cdot t=m v_{\max }
$$
其中 $\overline{I_{a b}}=\frac{\bar{E}}{R_{\text {总 }}}=\frac{\Delta \Phi}{R_{\text {总 }} t}=\frac{B L x}{R_{\text {总 }} \cdot t}$
联立解得: $t=\frac{15 m R}{4 B^2 L^2}+\frac{2 B^2 L^2 x}{3 m g R}$
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