解题思路:先分析导体细杆的运动情况,根据能量守恒定律求得杆从v0减速至停止运动的过程中,电阻丝上产生的焦耳热Q.容器中的气体吸收此热量后,温度会升高,根据题意:温度升高1K时,该气体的内能的增加量为[5/2]R,得到内能的增加量与升高的温度关系式.在温度升高△T的同时,气体体积膨胀,推动液柱克服大气压力做功.根据功的计算公式求出气体对外做功,再根据热力学第一定律列出方程,即可求得达到平衡时细管中液柱的位移.
导体细杆运动时,切割磁感应线,在回路中产生感应电动势与感应电流,细杆将受到安培力的作用,安培力的方向与细杆的运动方向相反,使细杆减速,随着速度的减小,感应电流和安培力也减小,最后杆将停止运动,感应电流消失.在运动过程中,电阻丝上产生的焦耳热,全部被容器中的气体吸收.
根据能量守恒定律可知,杆从v0减速至停止运动的过程中,电阻丝上的焦耳热Q应等于杆的初动能,即:
Q=
1
2m
v20]…①
容器中的气体吸收此热量后,设其温度升高△T,则内能的增加量为:
△U=[5/2]R△T…②
在温度升高△T的同时,气体体积膨胀,推动液柱克服大气压力做功.设液柱的位移为△l,则气体对外做功
W=p0S△l…③
S△l就是气体体积的膨胀量:
△V=S△l…④
由理想气体状态方程pV=RT,注意到气体的压强始终等于大气压p0,故有:
p0△V=R△T…⑤
由热力学第一定律:
Q=W+△U…⑥
由以上各式可解得:
△l=
m
v20
7p0S
答:达到平衡时细管中液柱的位移为
m
v20
7p0S.
点评:
本题考点: 导体切割磁感线时的感应电动势;闭合电路的欧姆定律;电磁感应中的能量转化.
考点点评: 本题是电磁感应与热力学的综合,它们联系的纽带是热量.对于气体等压变化过程,要知道气体对外做功公式是W=p0△V,在推导的基础上记牢,这在热力学第一定律的应用中经常用用到.