计算题12.0分
物理

24.如图,一长为10cm的金属棒ab用两个完全相同的弹簧水平地悬挂在匀强磁场中;磁场的磁感应强度大小为0.1T,方向垂直于纸面向里;弹簧上端固定,下端与金属棒绝缘,金属棒通过开关与一电动势为12V的电池相连,电路总电阻为2Ω。已知开关断开时两弹簧的伸长量均为0.5cm;闭合开关,系统重新平衡后,两弹簧的伸长量与开关断开时相比均改变了0.3cm,重力加速度大小取。判断开关闭合后金属棒所受安培力的方向,并求出金属棒的质量。

正确答案及相关解析

正确答案

依题意,开关闭合后,电流方向从b到a,由左手定则可知,金属棒所受的安培力方向竖直向下。

开关断开时,两弹簧各自相对于其原长伸长为。由胡克定律和力的平衡条件得

   ①

式中,m为金属棒的质量,k是弹簧的劲度系数,g是重力加速度的大小。开关闭合后,金属棒所受安培力的大小为F=IBL  ②

式中,I是回路电流,L是金属棒的长度。两弹簧各自伸长了

cm,由胡克定律和力的平衡条件得  ③

由欧姆定律有E=IR  ④

式中,E是电池的电动势,R是电路总电阻。

联立①②③④式,并代入题给数据得m=0.01kg   ⑤

解析

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知识点

共点力平衡的条件及其应用 胡克定律 通电直导线在磁场中受到的力