Question

如圖所示，P、Q為足夠長的光滑平行固定導(dǎo)軌，兩者之間的距離為L=20cm，其電阻不計(jì)。導(dǎo)軌所在平面有沿豎直方向的勻強(qiáng)磁場，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B=5T，導(dǎo)軌右端連接著一電路，其中R₁=10Ω，R₂=20Ω，R₃=15Ω，R₄=25Ω，平行板電容器板間距離d="10cm" ，電容C=5μF，板間有一質(zhì)量為m=1.0×10^-８kg，帶電量為q=-0.5×10^-８ C的帶電液滴。導(dǎo)體棒ab的電阻不計(jì)，質(zhì)量為M=0.5kg，垂直于導(dǎo)軌PQ放置且與之良好接觸，在外力作用下，ab始終沿水平方向向左做勻速直線運(yùn)動。當(dāng)開關(guān)S接通位置1時(shí)，帶電液滴恰好處于靜止?fàn)顟B(tài)。試回答以下問題：（重力加速度g=10m/s²）
（1）判斷導(dǎo)軌平面內(nèi)磁感線的方向，要求簡要說明理由。
（2）求外力做功的功率。
（3）計(jì)算當(dāng)開關(guān)由位置1轉(zhuǎn)換到位置2時(shí)，帶電液滴的加速度及流過電容器的電量。

Answer 1

（1）由右手定則判斷出磁感線方向豎直向上；原因見解析
（2）
（3），方向向下；

（1）因?yàn)楫?dāng)開關(guān)S接通位置1時(shí)，帶電液滴恰好處于靜止?fàn)顟B(tài)，說明帶電液滴受到豎直向上的電場力，而帶電液滴帶負(fù)電，因而導(dǎo)體棒ab的b端電勢高而a端電勢低，電流方向由a指向b。由右手定則判斷出磁感線方向豎直向上。（5分）
（2）設(shè)R₁兩端電壓為U₁，R₂兩端電壓為U₂，導(dǎo)體切割磁感線速率為，外力的大小為F
當(dāng)開關(guān)接通位置1時(shí)，帶電液滴恰好處于靜止?fàn)顟B(tài)，所以有：
    ①     （1分）
因?yàn)镽₁與R₂串聯(lián)，所以有：   ②     （1分）
設(shè)導(dǎo)體棒ab做切割磁感線運(yùn)動產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為，則
　　　　　③       （1分）
又：　　　　　　　　　　　　　　�、�       （1分）
聯(lián)立以上各式代數(shù)求解得：，，，，
設(shè)外力的大小為Ｆ，外力做功的功率為Ｐ，則有
　　　　　　�、�          （1分）
導(dǎo)體棒做勻速運(yùn)動，外力的大小與安培力相等，所以有
　　　　　　　　　　　　　　　　�、�          （1分）
代數(shù)求解得，外力做功的功率為                  （1分）
（3）設(shè)帶電液滴的加速度大小為，由牛頓第二定律有：
　　　　　　　　　　⑦             （2分）
代數(shù)求解得：，方向向下。                    （1分）
設(shè)開關(guān)接位置１與位置２時(shí)，電容器所帶電量分別為和
則：　　　　　　　⑧                 （1分）
　　　　　　�、�                 （1分）
由電路可判斷出，當(dāng)開關(guān)由位置1轉(zhuǎn)換到位置2時(shí)，流過電容器的電量為
　　　　　　⑩                 （3分）
說明：用其它方法求解，只要正確，同樣給分。