高中 | 闭合电路的欧姆定律基本问题 题目答案及解析

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选修3-1

第二章 恒定电流

2.7 闭合电路的欧姆定律

闭合电路的欧姆定律基本问题

如图所示,固定在同一水平面内的两根平行长直金属导轨的间距为$L$,其左端接有阻值为$R$的电阻,整个装置处在竖直向上、磁感应强度大小为$B$的匀强磁场中。一质量为$m$的导体杆$ab$垂直于导轨放置,且与两导轨保持良好接触。现杆在水平向右、垂直于杆的恒力$F$作用下从静止开始沿导轨运动距离$d$时,速度恰好达到稳定状态(运动过程中杆始终与导轨保持垂直)。设杆接入电路的电阻为$r$,导轨电阻不计,不计一切摩擦。试求:

导体杆$ab$达到稳定状态时通过导体杆的电流大小和方向;

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导体杆$ab$达到稳定状态时通过导体杆的电流大小$\\dfrac{F}{BL}$,电流方向为$b→a$

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导体杆$ab$在恒力$F$作用下做加速度减小的加速运动,当加速度为零的时候,导体杆$ab$达到最大速度,此后做匀速直线运动,即稳定状态。

有:$F=F_{安}$

$F_{安}=BIL$

联立得:$I= \dfrac{F}{BL}$

根据右手定则,杆中电流方向为$b→a$

导体杆达到稳定状态时,$ab$杆的速度大小;

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导体杆达到稳定状态时,$ab$杆的速度大小为$\\dfrac{F(R + r)}{B^{2}L^{2}}$

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导体杆$ab$ 到达稳定状态时,杆$ab$ 产生电动势:$E=BLv_{m}$$v_{m}$即为$ab$杆的速度大小。

根据闭合电路的欧姆定律可得:$I= \dfrac{E}{R + r}$

解得:$v_{m}= \dfrac{F(R + r)}{B^{2}L^{2}}$

导体杆从静止开始沿导轨运动距离$d$的过程中电阻$R$产生的热量。

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导体杆从静止开始沿导轨运动距离$d$的过程中电阻$R$产生的热量为$\\dfrac{RFd}{R + r} - \\dfrac{mRF^{2}(R + r)}{2B^{4}L^{4}}$

"]]

设导体杆从静止开始沿导轨运动距离$d$时回路产生的热量为$Q$

由动能定理得:$Fd-Q= \dfrac{1}{2}mV_{m}^{2}$

则电阻$R$上产生的热量$Q_{R}= \dfrac{R}{R + r}\cdot Q$

联立解得:$Q_{R}= \dfrac{RFd}{R + r} - \dfrac{mRF^{2}(R + r)}{2B^{4}L^{4}}$

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