Question

如圖所示，光滑且足夠長(zhǎng)的平行金屬導(dǎo)軌MN和PQ固定在同一水平面上，兩導(dǎo)軌間距，電阻，導(dǎo)軌上靜止放置一質(zhì)量、電阻的金屬桿，導(dǎo)軌電阻忽略不計(jì)，整個(gè)裝置處在磁感應(yīng)強(qiáng)度的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)的方向豎直向下，現(xiàn)用一外力沿水平方向拉桿，使之由靜止起做勻加速運(yùn)動(dòng)并開始計(jì)時(shí)，若5s末桿的速度為2.5m/s，求：

（1）5s末時(shí)電阻上消耗的電功率；
（2）5s末時(shí)外力的功率.
（3）若桿最終以8m/s的速度作勻速運(yùn)動(dòng),此時(shí)閉合電鍵S,射線源Q釋放的粒子經(jīng)加速電場(chǎng)C加速后從孔對(duì)著圓心進(jìn)入半徑的固定圓筒中（筒壁上的小孔只能容一個(gè)粒子通過(guò)），圓筒內(nèi)有垂直水平面向下的磁感應(yīng)強(qiáng)度為的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。粒子每次與筒壁發(fā)生碰撞均無(wú)電荷遷移,也無(wú)機(jī)械能損失，粒子與圓筒壁碰撞5次后恰又從孔背離圓心射出,忽略粒子進(jìn)入加速電場(chǎng)的初速度,若粒子質(zhì)量,電量,則磁感應(yīng)強(qiáng)度多大？若不計(jì)碰撞時(shí)間,粒子在圓筒內(nèi)運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間多大？

Answer 1

（1）0.1W（2）0.25W（3） 

解析試題分析：（1）5s末桿產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)：，
電流大小為：
電阻上消耗的電功率
（2）金屬棒的加速度：，由牛頓第二定律可知：
桿受的安培力大小為：
則外力F的功率：
由以上式子可得：
（3）此時(shí)回路電流強(qiáng)度為:
加速電場(chǎng)的電壓為：
根據(jù)動(dòng)能定理：
粒子從C孔進(jìn)入磁場(chǎng)的速度
由題意知：粒子與圓筒壁碰撞5次后從孔離開磁場(chǎng),由幾何關(guān)系求得：，軌跡半徑，又因?yàn)椋?img src="http://thumb.zyjl.cn/pic5/tikupic/54/2/qaxf91.png" style="vertical-align:middle;" />
故：
又：，粒子作圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)過(guò)的圓心角為：
根據(jù)：及
得：，粒子在圓筒內(nèi)運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間: 

考點(diǎn)：法拉第電磁感應(yīng)定律、帶電粒子在磁場(chǎng)中的圓周運(yùn)動(dòng)
點(diǎn)評(píng)：本題的綜合程度相當(dāng)高，題目難度大，比較難得全分。其中第一、二兩問(wèn)還比較常見，第三問(wèn)中，根據(jù)所求的進(jìn)入磁場(chǎng)的速度，利用軌跡可以建立求解的等式。