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2024高考物理压轴题分析与针对性训练
专题13导轨单杆切割磁感线模型
高考原题
(2024高考湖北卷第15题)15.如图所示,两足够长平行金属直导轨MN、PQ的间距为L,固定在同一水平面内,直导轨在左端M、P点分别与两条竖直固定、半径为L的圆弧导轨相切。MP连线与直导轨垂直,其左侧无磁场,右侧存在磁感应强度大小为B、方向竖直向下的匀强磁场。长为L、质量为m、电阻为R的金属棒ab跨放在两圆弧导轨的最高点。质量为2m、电阻为6R的均匀金属丝制成一个半径为L的圆环,水平放置在两直导轨上,其圆心到两直导轨的距离相等。忽略导轨的电阻、所有摩擦以及金属环的可能形变,金属棒、金属环均与导轨始终接触良好,重力加速度大小为g。现将金属棒ab由静止释放,求
(1)ab刚越过MP时产生的感应电动势大小;
(2)金属环刚开始运动时的加速度大小;
(3)为使ab在整个运动过程中不与金属环接触,金属环圆心初始位置到MP的最小距离。
思路分析(1)先由动能定理或机械能守恒定律求出ab刚越过MP时速度,然后利用法拉第电磁感应定律求出ab刚越过MP时产生的感应电动势大小;
(2)先求出金属环接入电路的电阻,然后求出所受安培力,利用牛顿第二定律求出金属环刚开始运动时的加速度大小;
(3)为使ab在整个运动过程中不与金属环接触,利用动量守恒定律和动量定理,列方程求出金属环圆心初始位置到MP的最小距离。
【答案】(1);(2);(3)
【解析】
(1)根据题意可知,对金属棒ab由静止释放到刚越过MP过程中,由动能定理有
解得
则ab刚越过MP时产生的感应电动势大小为
(2)根据题意可知,金属环在导轨间两段圆弧并联接入电路中,轨道外侧的两端圆弧金属环被短路,由几何关系可得,每段圆弧的电阻为
可知,整个回路的总电阻为
ab刚越过MP时,通过ab的感应电流为
对金属环由牛顿第二定律有
解得
(3)根据题意,结合上述分析可知,金属环和金属棒ab所受的安培力等大反向,则系统的动量守恒,由于金属环做加速运动,金属棒做减速运动,为使ab在整个运动过程中不与金属环接触,则有当金属棒ab和金属环速度相等时,金属棒ab恰好追上金属环,设此时速度为,由动量守恒定律有
解得
对金属棒,由动量定理有
则有
设金属棒运动距离为,金属环运动的距离为,则有
联立解得
则金属环圆心初始位置到MP的最小距离
针对性训练
1.(2024安徽芜湖重点高中二模)如图所示,足够长的两平行金属导轨倾斜固定放置,导轨平面倾角为,导轨间距,导轨底端接的定值电阻,导轨电阻不计。导轨处在垂直导轨平面向上的匀强磁场中,磁场的磁感应强度大小,质量、接入电路电阻的金属棒ab垂直置于导轨上。金属棒ab在大小为7.0N、方向始终沿轨道平面向上并垂直于金属棒的恒力F作用下,从静止开始沿导轨向上滑行,已知金属棒ab与导轨间的动摩擦因数,,,。求:
(1)金属棒从静止起向上运动的过程中,金属棒的最大加速度及拉力的最大功率分别为多少?
(2)当金属棒刚匀速运动时改变拉力的大小,使金属棒以的加速度沿轨道向上做匀加速运动,经过一段时间,拉力的冲量达到时,该段匀加速运动时间内,通过金属棒横截面的电量为多少?
(3)若当金属棒匀速运动时改变拉力的大小,使拉力F的功率恒为75W,此后经3s金属棒的加速度变为零,此过程电阻R中产生的焦耳热为20J,则此过程金属棒沿导轨向上运动的距离为多少?
【参考答案】(1),56W;(2)10C;(3)35.2m
【名师解析】
(1)金属棒在恒力F作用的瞬间,金属棒有最大加速度,由牛顿第二定律可得
代入数据解得
当金属棒做匀速运动时,此时金属棒的速度最大,恒力F的功率最大,由力的平衡条件可得
代入数据解得
恒力F的最大功率为
(2)当金属棒刚匀速运动时改变拉力的大小,使金属棒以的加速度沿轨道向上做匀加速运动,此过程由牛顿第二定律可得
代入数据化简可得
则有力的冲量
解得
,(舍去)
此过程金属棒的初速度为
金属棒向上运动的距离为
通过金属棒横截面的电量为
(3)若当金属棒匀速运动时改变拉力的大小,使拉力F的功率恒为75W,可知此过程金属棒做变加速运动,此后经3s金属棒的加速度变成零,则有
由力的平衡条件可得
代入数据联立解得
设此过程金属棒沿导轨向上运动的距离为,由能量守恒定律可得
代入数据解得x2=35.2m
2.(2024浙江台州期末)如图所示,光滑水平导轨放置在竖直向上的磁感应强度大小为的匀强磁场中,取中点为坐标原点,以水平向右为正方向建立轴。导轨部分与轴的夹角相等,左端的坐标为且与装置相连,装置能自动调节其输出电压确保回路电流恒定,其中处是光滑绝缘件,导轨间距为且足够长。间通过单刀双掷开关连接阻值为的电阻和电容为的电容
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