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(16分)如图所示，两根竖直放置的足够长的光滑平行金属导轨间距为l，导轨上端接有电阻R和一个理想电流表，导轨电阻忽略不计。导轨下部的匀强磁场区域有虚线所示的水平上边界，磁场方向垂直于金属导轨平面向外。质量为m、电阻为r的金属杆MN，从距磁场上边界h处由静止开始沿着金属导轨下落，金属杆进入磁场后，流经电流表的电流逐渐减小，最终稳定为I。金属杆下落过程中始终与导轨垂直且接触良好。已知重力加速度为g，不计空气阻力。求：

（1）磁感应强度B的大小；
（2）电流稳定后金属杆运动速度的大小；
（3）金属杆刚进入磁场时，M、N两端的电压大小。

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如图16-33所示，在磁感应强度大小为B、方向垂直向上的匀强磁场中，有一上、下两层均与水平面平行的“U”形光滑金属导轨，在导轨面上各放一根完全相同的质量为m的匀质金属杆A₁和A₂，开始时两根金属杆位于同一竖直面内且杆与轨道垂直.设两导轨面相距为H，导轨宽为L，导轨足够长且电阻不计，金属杆单位长度的电阻为r.现有一质量为的不带电小球以水平向右的速度v₀撞击杆A₁的中点，撞击后小球反弹落到下层面上的C点.C点与杆A₂初始位置相距为s.求：

图16-33

(1)回路内感应电流的最大值；

(2)整个运动过程中感应电流最多产生了多少热量；

(3)当杆A₂与杆A₁的速率比为1∶3时，A₂受到的安培力大小.

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一、本题共10小题，每小题3分，共30分。在每小题给出的四个选项中，有的小题只有一个选项是正确的，有的小题有多个选项是正确的。全部选对的得3分，选对但不全的得2分，有选错或不答的得0分。

题 号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

答 案

CD

AC

D

AB

C

BD

AD

BC

ABC

BC

二、本题共3小题，共14分。

11.（1）左；  （2分）   （2）大  （2分）

12.（1）小于；  （2分）  （2）9.4  （2分）

13.（1）R₁；  （2分）  （2）见答图1；（2分）
（3）BD  （2分）

三、本题共7小题，共56分。解答应写出必要的文字说明、方程式和重要的演算步骤。只写出最后答案的不能得分，有数值计算的题，答案中必须明确写出数值和单位。

14.（7分）

解：（1）金属杆刚进入磁场切割磁感线产生的电动势E=Blv，…………………（1分）

根据闭合电路欧姆定律，通过电阻R的电流大小I= =0.5A…………………（2分）

（2）M、N两端电压为路端电压，则U_MN=IR=0.4V…………………………………(2分)

（3）每秒钟重力势能转化为电能E=（R+r）t =0.25J…………………………（2分）

15.（7分）

解：（1）带电粒子匀速通过场区时受到的电场力与洛仑兹力平衡，qE=qv₀B，解得磁感应强度……………………………………………………………………（2分）

（2）电子通过电场区偏转的距离……………………………………（2分）

（3）设粒子运动到下极板时的动能大小为E_k，根据动能定理

    q?2E?d = E_k-………………………………………………………………（1分）

解得E_k =………………………………………………………………………（2分）

16．（8分）

解：（1）油滴速度为时所受阻力=k,

油滴向下匀速运动时，重力与阻力平衡，有=mg……………………………………（1分）

…………………………………………………………………………（1分）

则…………………………………………………………………………（2分）

（2）设油滴所带电荷量为q，油滴受到的电场力F_电，

油滴向上匀速运动时，阻力向下，油滴受力平衡，………………（2分）

则油滴所带电荷量 ………………………………………………（2分）

17.（8分）

解：（1）在0～0.3s时间内感应电动势……………（1分）

在0.3～0.5s时间内感应电动势………………………（1分）

（2）在0～0.3s时间内………（1分）

在0.3～0.5s时间内…………（1分）

i-t图象如答图2所示。………………（1分）

（3）在0～0.3s时间内，圆环中产生的热量……（1分）

在0.3～0.5s时间内，圆环中产生的热量  ……（1分）在0～10s内圆环中产生的热量Q=20(Q₁+Q₂)=9.42×10^-2J…………………………（1分）

说明：其他解法正确也得分，数值计算问题不重复扣分。

18.（8分）

解：（1）电子打到荧光屏上时速度的大小等于它飞出加速电场的速度大小，设为v,由动能定理………（1分）

解得……………………………………（2分）

（2）当磁感应强度为峰值B₀时，电子束有最大偏转，在荧光屏上打在Q点，。电子运动轨迹如答图3所示，设此时的偏转角度为θ，由几何关系可知，

，……………………………（1分）

根据几何关系，电子束在磁场中运动路径所对圆心角α=θ，而…………………（1分）

由牛顿第二定律和洛仑兹力公式得evB₀=mv²/R………………………………………（1分）

解得…………………………………………………………………………（2分）

19.（9分）

解：（1）电场力F_电与洛仑兹力f_洛大小之比……………………（2分）

（2）电场力与场强方向相同，洛仑兹力与磁感应强度方向（即场强方向）垂直，带电质点受电场力和洛仑兹力的合力与重力平衡，故磁场和电场方向与yOz平面平行，与-y方向成53°斜向下，方向如答图4所示。

(qE)²+(qv₀B)²=(mg)²……………………………（1分）

解得q=2.0×10^-5C……………………………………（2分）

（3）撤去磁场后，带电质点在沿x轴方向上做匀速直线运动，经过时间t=0.20s,沿x轴方向上的位移x=v₀t=20m………………………………………………………………（1分）

带电质点受恒定合力，其大小等于洛仑兹力，方向与洛仑兹力方向相反。由几何关系可知质点受合力方向与+y方向成37°斜向下。

质点的加速度，

位移s在y轴方向的分量y=scos37°=9.6cm，………………………………………（1分）

在z轴方向的分量z=-ssin37°=－7.2cm。………………………………………………（1分）

所以，经过时间t=0.2s带电质点的位置为（20m，9.6cm，－7.2cm）……………（1分）

20.（9分）

解：(1)磁流体发电机电动势E=Bdv ……………………………………………………(1分)

用左手定则判断出正离子向N板偏转，因此N板的电势高…………………………(1分)

(2)两板间海水的电阻，回路中的电流……………………………(1分)

磁场对管道内海水的作用力F_磁=BId

解得F_磁=……………………………………………………………………… (1分)

方向与v方向相反(水平向东) ……………………………………………………………(1分)

(3)在t时间内管道中海水移动的距离为s=vt …………………………………………(1分)

在t时间内克服摩擦阻力的功W₁=kvs，克服磁场力做功W₂=F_磁s ………………(1分)

在t时间内磁流体发电机消耗的总机械能E=W₁+W₂=……… (2分)