Question

【题目】电磁弹射技术是一种新兴的直线推进技术，适宜于短行程发射大载荷，在军事、民用和工业领域具有广泛应用前景。我国已成功研制出用于航空母舰舰载机起飞的电磁弹射器。它由发电机、直线电机、强迫储能装置和控制系统等部分组成。

电磁弹射器可以简化为如图所示的装置以说明其基本原理。电源和一对足够长平行金属导轨M、N分别通过单刀双掷开关K与电容器相连。电源的电动势E=10V，内阻不计。两条足够长的导轨相距L=0.1m且水平放置，处于磁感应强度B=0.5T的匀强磁场中，磁场方向垂直于导轨平面且竖直向下，电容器的电容C=10F。现将一质量m=0.1kg、电阻r=0.1Ω的金属滑块垂直放置于导轨的滑槽内，分别与两导轨良好接触。将开关K置于a使电容器充电，充电结束后，再将开关K置于b，金属滑块会在电磁力的驱动下运动，不计导轨和电路其他部分的电阻，且忽略金属滑块运动过程中的一切阻力，不计电容充放电过程中该装置向外辐射的电磁能量及导轨中电流产生的磁场对滑块的作用。

（1）在电容器放电过程中，金属滑块两端电压与电容器两极间电压始终相等。求在开关K置于b瞬间，金属滑块的加速度的大小a；

（2）求金属滑块最大速度v；

（3）a.电容器是一种储能装置，当电容两极间电压为U时，它所储存的电能A=CU2/2。求金属滑块在运动过程中产生的焦耳热Q；

b.金属滑块在运动时会产生反电动势，使金属滑块中大量定向运动的自由电子又受到一个阻力作用。请分析并计算在金属滑块运动过程中这个阻力所做的总功W。

Answer 1

【答案】（1）见解析（2）40m/s（3）a. 400J；b. –80J

【解析】（1）开关K置于b瞬间，流过金属滑块的电流：

金属滑块受到安培力作用，由牛顿运动定律：BIL=ma，

（2） 设金属滑块做加速运动到最大速度时两端的电压为U，电容器放电过程中的电荷量变化为Δq，放电时间为Δt，流过金属滑块的平均电流为I：

电容放电过程的电荷量变化Δq=C(E-U)

金属滑块速度最大时，其两端电压U=BLv

由电流定义有Δq=IΔt

在金属滑块运动过程中，由动量定理有BILΔt=mv-0

联立以上各式，可得：v=40m/s

（3）a. 由U=BLv可知电容器两端最终电压U=2V

由能量守恒定律有

解得：Q=400J

b.因金属滑块做切割磁感线运动产生反电动势，由此使滑块中的自由电荷受到阻碍其定向运动的洛伦兹力f1（即阻力）；同时由于金属滑块中的自由电荷定向运动还使其受到洛伦兹力f2。金属滑块中的所有自由电荷所受f2的合力在宏观上表现为金属滑块的安培力。

由动能定理可知安培力做功: WF=mv2=80J

f1与f2的合力即洛伦兹力f不做功。所以金属滑块运动过程中阻力f1所做的总功

W=-WF =-80J