两根足够长的导轨由上下段电阻不计,光滑的金属导轨组成,在M…——2024 高考物理第 13 题答案解析

2024_省自主命题(海南)

2024 海南 第 13 题 解答题 区分题
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13. 两根足够长的导轨由上下段电阻不计,光滑的金属导轨组成,在M、N两点绝缘连接,M、N等高,间距 $L = 1 \mathrm { m }$ ,连接处平滑。导轨平面与水平面夹角为30°,导轨两端分别连接一个阻值R = 0.02Ω的电阻和 $C = 1 \mathrm { F }$ 的电容器,整个装置处于B = 0.2T的垂直导轨平面斜向上的匀强磁场中,两根导体棒ab、cd分别放在MN两侧,质量分为 $m _ { 1 } = 0 . 8 \mathrm { k } g , m _ { 2 } = 0 . 4 \mathrm { k } g , a b$ 棒电阻为0.08Ω,cd棒的电阻不计,将ab由静止释放,同时cd从距离MN为 $x _ { 0 } = 4 . 3 2 \mathrm { m }$ 处在一个大小 $F = 4 . 6 4 \mathrm { N }$ ,方向沿导轨平面向上的力作用下由静止开始运动,两棒恰好在M、N处发生弹性碰撞,碰撞前瞬间撤去F,已知碰前瞬间ab的速度为4.5m/s,g

= 10m/s<sup>2</sup>( )

A. ab 从释放到第一次碰撞前所用时间为1.44s
B. ab从释放到第一次碰撞前,R上消耗的焦耳热为0.78J
C. 两棒第一次碰撞后瞬间,ab的速度大小为6.3m/s
D. 两棒第一次碰撞后瞬间,cd的速度大小为8.4m/s
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BD

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【答案】BD

【解析】

【详解】A.由于金属棒ab、cd同时由静止释放,且恰好在M、N处发生弹性碰撞,则说明ab、cd在到达M、N处所用的时间是相同的,对金属棒cd和电容器组成的回路有

$$ \Delta q = C \cdot B L \Delta v $$

对cd根据牛顿第二定律有

$$ F - B I L - m _ {2} g \sin 3 0 ^ {\circ} = m _ {2} a _ {2} $$

其中

$$ a _ {2} = \frac {\Delta v}{\Delta t}, I = \frac {\Delta q}{\Delta t} $$

联立有

$$ a _ {2} = \frac {F - m _ {2} g \sin 3 0 ^ {\circ}}{m _ {2} + C B ^ {2} L ^ {2}} $$

则说明金属棒cd做匀加速直线运动,则有

$$ x _ {0} = \frac {1}{2} a _ {2} t ^ {2} $$

联立解得

$$ a _ {2} = 6 \mathrm{m/s} ^ {2}, t = 1. 2 \mathrm{s} $$

故A 错误;

B.由题知,知碰前瞬间ab的速度为 4.5m/s,则根据功能关系有

$$ m _ {1} g x _ {a b} \sin 3 0 ^ {\circ} - Q = \frac {1}{2} m _ {1} v _ {1} ^ {2} $$

金属棒下滑过程中根据动量定理有

$$ m _ {1} g \sin 3 0 ^ {\circ} \cdot t - B \overline {{I}} L \cdot t = m _ {1} v _ {1} $$

其中

$$ q = \overline {{I}} t = \frac {B L x _ {a b}}{R _ {\text {总}}}, R _ {\text {总}} = R + R _ {\mathrm{ab}} = 0. 1 \Omega $$

联立解得

$$ q = 6 \mathrm{C}, x _ {\mathrm{ab}} = 3 \mathrm{m}, Q = 3. 9 \mathrm{J} $$

则R上消耗的焦耳热为

$$ Q _ {R} = \frac {R}{R _ {\text {总}}} Q = 0. 7 8 \mathrm{J} $$

故B正确;

CD.由于两棒恰好在M、N处发生弹性碰撞,取沿斜面向下为正,有

$$ m _ {1} v _ {1} - m _ {2} v _ {2} = m _ {1} v _ {1} ^ {\prime} + m _ {2} v _ {2} ^ {\prime} $$

$$ \frac {1}{2} m _ {1} v _ {1} ^ {2} + \frac {1}{2} m _ {2} v _ {2} ^ {2} = \frac {1}{2} m _ {1} v _ {1} ^ {\prime 2} + \frac {1}{2} m _ {2} v _ {2} ^ {\prime 2} $$

其中

$$ v _ {2} = a _ {2} t = 7 2 \mathrm{m/s} $$

联立解得

$$ v _ {1} ^ {\prime} = - 3. 3 \mathrm{m/s}, v _ {2} ^ {\prime} = 8. 4 \mathrm{m/s} $$

故C错误、D 正确。

故选BD。

三、实验题(本题共两个小题,其中 14题(1)6分,14题(2)6分,15题 ${ \bf 6 }$ 分,总共 18分)

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