如图(a),一倾角为q的绝缘光滑斜面固定在水平地面上,其顶…——2022 高考物理第 15 题答案解析

2022_省自主命题(福建)

2022 福建 第 15 题 解答题 区分题
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15. 如图(a),一倾角为q的绝缘光滑斜面固定在水平地面上,其顶端与两根相距为L 的水平光滑平行金属导轨相连;导轨处于一竖直向下的匀强磁场中,其末端装有挡板M、N.两根平行金属棒G、H垂直导轨放置,G 的中心用一不可伸长绝缘细绳通过轻质定滑轮与斜面底端的物块A 相连;初始时刻绳子处于拉紧状态并与 G 垂直,滑轮左侧细绳与斜面平行,右侧与水平面平行.从t =0s开始,H在水平向右拉力作用下向右运动; $t = 2 \mathrm { s }$ 时, $H$ 与挡板M、N相碰后立即被锁定.G 在t =1s后的速度一时间图线如图(b)所示,其中1 \~ 2s 段为直线.已知:磁感应强度大小 $B = 1 \mathrm { T }$ $L = 0 . 2 \mathrm { m }$ ,G、H 和 A 的质量均为0.2kg ,G、H的电阻均为0.1W;导轨电阻、细绳与滑轮的摩擦力均忽略不计;H与挡板碰撞时间极短;整个运动过程A未与滑轮相碰,两金属棒始终与导轨垂直且接触良好: $\sin \theta = 0 . 2 5$ $\cos \theta = 0 . 9 7$ ,重力加速度大小取$1 0 \mathrm { m } / \mathrm { s } ^ { 2 }$ ,图(b)中e为自然常数, $\frac { 4 } { e } = 1 . 4 7$ .求:

(1)在1\~ 2s时间段内,棒G的加速度大小和细绳对A的拉力大小;

②t =1.5s时,棒H上拉力的瞬时功率;

(3)在2\~3s 时间段内,棒G滑行的距离


(a)


(b)

参考答案

(1) $2 \mathrm { m } / \mathrm { s } ^ { 2 }$ ; 0.9N; (2) 16.15W; (3) 2.53m

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【答案】(1) $2 \mathrm { m } / \mathrm { s } ^ { 2 }$ ; 0.9N ;(2)16.15W ;(3) 2.53m

【解析】

【详解】(1)由v t- 图像可得在1 2s: 内,棒G做匀加速运动,其加速度为

$$ a = 2 \mathrm{m} / \mathrm{s} ^ {2} $$

依题意物块A的加速度也为 $a = 2 \mathrm { m } / \mathrm { s } ^ { 2 }$ ,由牛顿第二定律可得

$$ T - m _ {\mathrm{A}} g \sin \theta = m _ {\mathrm{A}} a $$

解得细绳受到拉力

$$ T = 0. 9 \mathrm{N} $$

> ②由法拉第电磁感应定律与闭合电路欧姆定律推导出“双棒”回路中的电流为

$$ I = \frac {B L \left(v _ {H} - v _ {G}\right)}{R _ {H} + R _ {G}} $$

由牛顿运动定律和安培力公式有

$$ B I L - T = m _ {G} a $$

由于在1 2s: 内棒G做匀加速运动,回路中电流恒定为 $I = 6 . 5 \mathrm { A }$ ,两棒速度差为

$$ v _ {H} - v _ {G} = 6. 5 \mathrm{m/s} $$

保持不变,这说明两棒加速度相同且均为a;

对棒H由牛顿第二定律可求得其受到水平向右拉力

$$ F = m _ {H} a + B I L = 1. 7 \mathrm{N} $$

由v t - 图像可知t =1.5s 时,棒 G 的速度为

$$ v _ {G} = 3 \mathrm{m/s} $$

此刻棒H的速度为

$$ v _ {H} = 9. 5 \mathrm{m/s} $$

其水平向右拉力的功率

$$ P _ {F} = F v _ {H} = 1 6. 1 5 \mathrm{W}. $$

(3)棒H停止后,回路中电流发生突变,棒 G受到安培力大小和方向都发生变化,棒G是否还拉着物块A一起做减速运动需要通过计算判断,假设绳子立刻松弛无拉力,经过计算棒G加速度为

$$ a ^ {\prime} = \frac {B ^ {2} L ^ {2} v _ {G} ^ {\prime}}{2 R m _ {G}} = \frac {1 ^ {2} \times 0 . 2 ^ {2} \times 4}{2 \times 0 . 1 \times 0 . 2} \mathrm{m/s} ^ {2} = 4 \mathrm{m/s} ^ {2} $$

物块A加速度为

$$ a ^ {"} = g \sin \theta = 2. 5 \mathrm{m} / \mathrm{s} ^ {2} $$

说明棒H停止后绳子松弛,物块A做加速度大小为 $2 . 5 \mathrm { m } / \mathrm { s } ^ { 2 }$ 的匀减速运动,棒 G做加速度越来越小的减速运动;由动量定理、法拉第电磁感应定律和闭合电路欧姆定律可以求得,在2 3s: 内

$$ B \bar {I} L \Delta t = m _ {G} \left(v _ {G 2} - v _ {G 3}\right) $$

$$ \bar {I} \Delta t = \frac {B L \bar {v}}{R _ {H} + R _ {G}} \Delta t = \frac {B L s _ {G}}{R _ {H} + R _ {G}} $$

棒G滑行的距离

$$ s _ {G} = \frac {m _ {G} \left(v _ {G 2} - v _ {G 3}\right) \left(R _ {H} + R _ {G}\right)}{B ^ {2} L ^ {2}} = \left(4 - \frac {4}{e}\right) \mathrm{m} = 2. 5 3 \mathrm{m} $$

这段时间内物块A速度始终大于棒G滑行速度,绳子始终松弛。

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