解题思路:(1)由法拉第定律、欧姆定律回路中感应电流I,a棒产生的电动势:Ea=BLv1,a棒两端电压为U=Ea-IR. (2)由F=BIL求出棒a所受的安培力大小,根据牛顿第二定律分别研究棒a和C物体,可求解加速度.(3)单位时间内,通过a棒克服安培力做功,把C物体的一部分重力势能转化为闭合回路的电能,而闭合回路电能的一部分以焦耳热的形式消耗掉,另一部分则转化为b棒的动能.根据能量守恒求解闭合回路消耗的总电功率.
(1)根据法拉第电磁感应定律,t时刻回路的感应电动势 E=
△φ
△t=BL(v1−v2) ①
回路中感应电流:I=
E
2R=
BL(v1−v2)
2R ②
a棒产生的电动势:Ea=BLv1 ③
a棒两端电压:U=Ea-IR ④
联立②③④解得:U=
BL(v1+v2)
2
(2)对a有,T-BIL=ma ⑤
对C有,Mg-T=Ma ⑥
联立②⑤⑥以上各式解得:a=
2MgR−B2L2(v1−v2)
2R(M+m)
(3)解法一:单位时间内,通过a棒克服安培力做功,把C物体的一部分重力势能转化为闭合回路的电能,而闭合回路电能的一部分以焦耳热的形式消耗掉,另一部分则转化为b棒的动能,所以,t时刻闭合回路的电功率等于a棒克服安培力做功的功率,即 P=BILv1⑦
联立②⑦解得:P=
B2L2(v1−v2)v1
2R
解法二:a棒可等效为发电机,b棒等效为电动机,则
A棒的感应电动势为:Ea=BLv1⑧
闭合回路消耗的总电功率为:P=IEa…⑨
联立②⑧⑨解得:P=BILv1=
B2L2(v1−v2)v1
2R
解法三:闭合回路消耗的热功率为:P=I2•2R=
B2L2(v1−v2)2
2R…⑩
B棒的机械功率为:P机=BILv2=
B2L2(v1−v2)v2
2R…(11)
故闭合回路消耗的总电功率为:P=P热+P机=
B2L2(v1−v2)v1
2R
答:
(1)t时刻a棒两端的电压是
BL(v1−v2)
2.
(2)t时刻C的加速度值是
2MgR−B2L2(v1−v2)
2R(M+m).
(3)t时刻a、b与导轨所组成的闭合回路消耗的总电功率是
B2L2(v1−v2)v1
2R.
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: 本题综合考查了法拉第电磁感应定律以及电磁感应中的能量守恒.关键理清导体棒的运动情况,选择合适的定律进行求解.