内容正文:
专题强化7 电磁感应中的动量问题
第二章 电磁感应
1
素养目标
1. 会综合应用动量定理与电磁感应规律解决有关问题。(科学思维)
2. 会综合应用动量守恒定律与电磁感应规律解决有关问题。(科学思维)
2
目 录 CONTENTS
强化点一 动量定理在电磁感应中的应用
强化点二 动量守恒定律在电磁感应中的应用问题
课时作业
3
强化点一 动量定理在电磁感应中的应用
目 录
4
如图所示,在竖直向下的磁感应强度大小为B的匀强磁场中,某金属棒放
置在水平固定且足够长的光滑U形金属导轨上,已知金属棒的电阻为r,定
值电阻的阻值为R,导轨宽度为L。若棒以初速度v0向右运动。
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物 理·选择性必修第二册
(1)请分析金属棒运动过程中受力情况,并进一步确定棒的运动情况。
提示: 金属棒受向左的安培力作用,对金属棒有F安==ma,可
知金属棒做减速运动,速度逐渐减小,加速度逐渐减小,金属棒做加速度
逐渐减小的减速运动至最终速度为零。
(2)若用表示从开始到停下的全过程的平均电流,则安培力的冲量如何
表示?它与棒的动量变化有什么关系?
提示: 安培力的冲量可表示为IF=-Blt,由动量定理知,该冲量等
于棒动量的变化,即-Blt=0-mv0。
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导体棒(或导体框)在磁场中切割磁感线做非匀变速运动时,因安培力
是变力,不方便应用牛顿运动定律、能量观点解决问题,可考虑应用动量
定理解决,常见有以下关系:
(1)如果导体棒的合外力等于安培力,则有-Bl·Δt=mv2-mv1。
(2)如果导体棒的合外力除了安培力外还有其他外力F,则有F·Δt-
Bl·Δt=mv2-mv1。
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②通过导体棒的电荷量q=Δt=Δt=n·Δt=n;
③磁通量变化量ΔΦ=BΔS=Blx。
通过以上各式可将流经棒的电荷量q、棒的位移x、运动时间t及初速度v0、
末速度v等有关量联系起来,可求解q、x或v、t等有关量。
(3)涉及的其他公式
①安培力的冲量I安=Blt=Blq;
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〔多选〕(2026·高二下湖北孝感期中)如图所示,水平放置足够长的
两平行金属导轨相距l=0.5 m,左端接一阻值为R=0.2 Ω的电阻,磁感应
强度B=0.4 T的匀强磁场,其方向垂直于导轨平面向下,垂直放在导轨
上,长度也为l=0.5 m,电阻为r=0.2 Ω,质量为m=0.05 kg的导体棒
ac,在外力F作用下水平向右以v=4.0 m/s的速度匀速滑动。导轨的电阻忽
略不计,不计一切摩擦,下列说法正确的是( AD )
AD
A. ac棒中感应电动势的大小为0.8 V
B. 外力F的大小为0.2 N
C. 撤去外力后棒ac滑行距离为1.0 m
D. 撤去外力到棒ac停止运动整个过程电阻R产生的焦耳热为0.2 J
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解析:由法拉第电磁感应定律得ac棒中感应电动势的大小E=Blv=0.8 V,
故A正确;导体棒ac匀速运动,外力F与安培力大小相等F=F安=BIl=
Bl==0.4 N,故B错误;由动量定理得-Bl·Δt=0-mv,又q=
·Δt=·Δt=·Δt==,解得x==2.0 m,故C错
误;撤去外力到棒ac停止运动整个过程电路中产生的总焦耳热Q=mv2=
0.4 J,电阻R产生的焦耳热QR=Q=0.2 J,故D正确。
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如图所示,长为d、质量为m的细金属杆ab,用长为L的绝缘细线悬挂
后,恰好与水平光滑的平行金属导轨接触,平行金属导轨间距也为d,导
轨平面处于竖直向下的磁感应强度为B的匀强磁场中。闭合开关S后,细金
属杆ab向右摆起,细线的最大偏角为θ。已知重力加速度为g,则闭合开关
的短时间内通过细金属杆ab的电荷量为( )
A. B.
C. D.
√
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解析: 细金属杆摆起过程,由动能定理得mgL(1-cos θ)=mv2,合
上开关的瞬间,由动量定理得F安Δt=mv,又有F安=dB,q=Δt,联立解
得q=,故A、B、D错误,C正确。
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强化点二 动量守恒定律在电磁感应中的应用问题
目 录
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1. 动量守恒定律在电磁感应中的应用
在双金属杆切割磁感线的系统中,双金属杆和导轨构成闭合回路,如果双
金属杆所受的两个安培力等大反向,且它们受到的外力的合力为0,则满
足动量守恒条件,应用动量守恒定律求解比较方便。
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2. 处理电磁感应中“双杆”问题的三个观点
(1)力学观点:通常情况下一根金属杆做加速度逐渐减小的加速运动,
而另一根金属杆做加速度逐渐减小的减速运动,最终两金属杆以共同的速
度匀速运动。
(2)动量观点:如果光滑导轨间距恒定,则两根金属杆的安培力等大反
向,通常情况下系统的动量守恒。
(3)能量观点:其中一根金属杆动能的减少量等于另一根金属杆动能的
增加量与回路中产生的焦耳热之和。
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如图所示,两根间距为l的光滑金属导轨(不计电阻),由一段圆弧部
分与一段无限长的水平部分组成,其水平部分加有竖直向下的匀强磁场,
磁感应强度大小为B,导轨水平部分静止放置一金属棒cd,质量为2m,电
阻为2r。另一质量为m、电阻为r的金属棒ab,从圆弧部分M处由静止释放
滑至N处进入水平部分,棒与导轨始终垂直且接触良好,圆弧部分MN半径
为R,所对圆心角为60°,重力加速度为g。求:
(1)ab棒在N处进入磁场区域时的速度和此时棒中的电流;
答案:
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解析: ab棒由M下滑到N的过程中机械能守恒,则有mgR(1-cos
60°)=mv2
解得v=
进入磁场区域瞬间,回路中产生的感应电流为
I==。
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(2)cd棒能达到的最大速度;
答案:
解析: ab棒在安培力作用下做减速运动,cd棒在安培力作用下做加速运动,
当两棒达到相同速度v'时,电路中电流为零,安培力为零,cd棒达到最大
速度。ab、cd两棒组成的系统动量守恒,由动量守恒定律得mv=(2m+
m)v'
解得v'=。
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(3)cd棒由静止到最大速度过程中,系统所能释放的热量。
答案: mgR
解析:由能量守恒定律知,系统释放的热量应等于系统机械能的减少
量,则
Q=mv2-×(2m+m)v'2
解得Q=mgR。
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〔多选〕如图,方向竖直向下的匀强磁场中有两根位于同一水平面内的
足够长的平行金属导轨,两相同的光滑导体棒ab、cd静止在导轨上,t=0
时,棒ab以初速度v0向右滑动。运动过程中,ab、cd始终与导轨垂直且接
触良好,两者速度分别用v1、v2表示,回路中的电流用I表示。下列图像中
可能正确的是( )
√
√
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解析: 以两导体棒为研究对象,在导体棒运动过程中,两导体棒所受
的安培力大小相等,方向相反,且不受其他水平外力作用,在水平方向,
两导体棒组成的系统动量守恒,对系统有mv0=2mv,解得两导体棒运动的
末速度为v=v0,棒ab做减速运动,棒cd做加速运动,它们的速度差逐渐
减小,产生的感应电流也减小,所受的安培力减小,加速度也减小,即棒
ab做加速度减小的减速运动,棒cd做加速度减小的加速运动,稳定时两导
体棒的加速度为零,一起向右做匀速运动,选项A正确,B错误;由上述分
析可知,v1逐渐减小且减小得越来越慢,则感应电流也逐渐减小且减小得
越来越慢,ab棒和cd棒最后做匀速运动,棒与导轨组成的回路磁通量不变
化,不会产生感应电流,选项C正确,D错误。
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课时作业
目 录
22
1. 〔多选〕如图所示,水平面上有两根足够长的光滑平行金属导轨MN和
PQ,两导轨间距为L,导轨电阻均可忽略不计。在M和P之间接有一阻值为
R的定值电阻,导体杆ab质量为m、阻值也为R,并与导轨垂直且接触良
好。整个装置处于方向竖直向下、磁感应强度大小为B的匀强磁场中。现
给ab杆一个初速度v0,使杆向右运动,最终ab杆停止在导轨上。下列说法
正确的是( )
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A. ab杆将做匀减速运动直到静止
B. ab杆速度减为时,ab杆的加速度大小为
C. ab杆速度减为时,通过定值电阻的电荷量为
D. ab杆速度减为时,ab杆通过的位移为
√
√
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解析: ab杆在水平方向上受到与运动方向相反的安培力,安培力大小
为F=,加速度大小为a==,由于速度减小,所以ab杆做加速
度减小的减速运动直到静止,故A错误;当ab杆的速度为时,安培力大
小为F'=,所以加速度大小为a'==,故B正确;对ab杆,由
动量定理得-LB·Δt=m-mv0,即BLq=mv0,解得q=,所以通过
定值电阻的电荷量为,故C错误;由q==,解得ab杆通过的位
移x==,故D正确。
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2. 〔多选〕如图所示,在竖直平面内有两根相互平行、电阻忽略不计的光
滑金属导轨(足够长),两平行金属导轨间的距离L=0.4 m,在导轨间接
有阻值R=2.0 Ω的电阻,一根质量为m=0.4 kg的金属棒ab垂直于导轨放
置其上,金属棒的电阻r=1.0 Ω。整个装置处于垂直导轨所在平面的匀强
磁场中,磁感应强度B=5 T、方向垂直于导轨所在平面向里。现让金属棒
沿导轨由静止开始运动(金属棒始终与导轨良好接触),金属棒下滑高度
为h=1.2 m时恰好能达到最大速度,重力加速度为g=10 m/s2。则( )
A. 金属棒由静止先匀加速运动、后匀速运动
B. 金属棒能达到的最大速度为3 m/s
C. 金属棒由静止下滑1.2 m所用时间为0.8 s
D. 由静止开始到达到最大速度的过程中,通过电阻R的电荷量
为0.8 C
√
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解析: 金属棒向下运动的过程,在竖直方向上受到竖直向下的重力和
竖直向上的安培力,安培力从零开始不断增大,所以金属棒由静止开始做
加速度减小的加速运动,当安培力与重力相等时,加速度为零,金属棒的
速度达到最大值,之后金属棒匀速运动,故A错误;由平衡条件有mg=
I1LB,其中I1=,解得v1=3 m/s,故B正确;平均感应电动势为E=
=,平均电流为=,Q=·Δt,解得Q=0.8 C,故D正确;金属棒
由静止下滑1.2 m过程中,根据动量定理可得mgΔt-LB·Δt=mv1,其中Q
=·Δt,联立解得Δt=0.7 s,故C错误。
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3. (2026·山东济南高二月考)一边长为L、质量为m的正方形单匝金属线
框,每条边电阻均为R0,置于光滑绝缘水平桌面(纸面)上。宽度为2L的
区域内存在方向垂直于纸面向里的匀强磁场,磁感应强度大小为B,两虚
线为磁场边界,如图所示。现使金属线框以一定的初速度向右运动,进入
磁场。运动过程中金属线框的左、右边框始终与磁场边界平行,金属线框
完全进入磁场区域时,速度大小减为初速度的四分之三,则金属线框的初
速度大小为( )
A. B.
C. D.
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解析: 设金属线框的初速度大小为v0,则金属线框完全进入磁场时的
速度大小为v0,对金属线框进入磁场的过程,由动量定理有-BL·t=
m·v0-mv0,根据闭合电路欧姆定律有=,根据法拉第电磁感应定律有
=,联立解得v0=,A正确。
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4. 〔多选〕如图所示,两电阻可以忽略不计的平行金属长直导轨固定在水
平面上,相距为L,另外两根长度为L、质量为m、电阻为R的相同导体棒垂
直静置于导轨上,导体棒在长导轨上可以无摩擦地滑动,导轨间存在竖直
向下的匀强磁场,磁感应强度大小为B,某时刻使导体棒a获得大小为v0、
水平向右的初速度,同时使导体棒b获得大小为2v0、水平向右的初速度,
下列结论正确的是( )
A. 该时刻回路中产生的感应电动势为3BLv0
B. 该时刻导体棒a的加速度为
C. 当导体棒a的速度大小为时,导体棒b的速度大小也是
D. 运动过程中通过导体棒a的电荷量的最大值qm=
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解析: 根据右手定则可知两根导体棒切割磁感线产生的感应电动势
方向相反,故该时刻回路中产生的感应电动势E=BL·2v0-BLv0=BLv0,故
A错误;在该时刻,回路中的感应电流I==,导体棒a所受安培力大
小F=ILB,根据牛顿第二定律F=ma,可得a=,故B正确;由于两
导体棒组成的整体动量守恒,当导体棒a的速度大小为时,根据动量守
恒定律得m·2v0+mv0=m·+mv1,解得v1=,故C正确;由以上解析知
v共=,对a,由动量定理有F安Δt=mv共-mv0,而=LB,则通过导体
棒a的电荷量的最大值qm=Δt=,故D正确。
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5. 〔多选〕如图,平行光滑金属导轨水平放置,间距L=2 m,导轨左端接
一阻值R=1 Ω的电阻,图中虚线与导轨垂直,其右侧存在磁感应强度大小
为B=0.5 T、方向垂直于纸面向里的匀强磁场。质量为m=1 kg的金属棒垂
直于导轨放置在虚线左侧,距虚线的距离为d=0.5 m。某时刻对金属棒施
加一大小为F=4 N的向右的恒力,金属棒在磁场中运动s=2 m的距离后速
度不再变化,金属棒与导轨的电阻忽略不计,金属棒始终与导轨垂直且接
触良好,则金属棒从静止到开始匀速运动的过程中,下列说法正确的是
( )
A. 金属棒刚进入磁场时的速度为2 m/s
B. 金属棒开始匀速运动的速度为2 m/s
C. 金属棒从开始进入磁场到匀速运动的过程中通过电阻R的
电荷量为2 C
D. 金属棒从开始进入磁场到匀速运动的过程中所用时间为1 s
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解析: 设金属棒刚进入磁场时速度为v0,根据运动学公式知=
2··d,解得v0=2 m/s,故A正确;设金属棒匀速运动时速度为v,此时F与
安培力平衡,即F=BIL=B··L,解得v=4 m/s,故B错误;金属棒从开
始进入磁场到匀速运动的过程中,对金属棒在每小段时间Δt,根据动量定
理有(F-BIL)·Δt=m·Δv,即FΔt-BLIΔt=m·Δv,其中IΔt为该段时间内
通过电路的电荷量q,则两边对金属棒从开始进入磁场到匀速运动的过程
中总时间t进行累积得Ft-BLq总=mv-mv0,同时有q总=t=t==
=2 C,解得t=1 s,故C、D正确。
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6. 如图所示,PQ和MN是固定于水平面内的平行光滑金属轨道,轨道足够
长,其电阻忽略不计。质量均为m的金属棒ab、cd放在轨道上,始终与轨
道垂直且接触良好。两金属棒的长度恰好等于轨道的间距,它们与轨道形
成闭合回路。整个装置处在竖直向上、磁感应强度为B的匀强磁场中。使
金属棒cd得到初速度v0的同时,金属棒ab由静止开始运动,考虑两金属棒
之后的运动过程(经过足够长时间,不考虑空气阻力),以下说法正确的
是( )
A. ab棒受到的冲量大小为,方向向左
B. cd棒受到的冲量大小为,方向向左
C. 金属棒ab、cd组成的系统动量变化量为mv0
D. 整个回路产生的热量为m
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解析: 金属棒ab、cd组成的系统所受的合外力为零,系统动量守恒,
即以后的运动过程中系统动量变化量为零,选项C错误;两棒最终共速,
设向右为正方向,由动量守恒定律,得mv0=2mv,对ab棒,由动量定理得
Iab=mv-0,解得Iab=mv0,方向向右,对cd棒,由动量定理得Icd=mv-
mv0,解得Icd=-mv0,方向向左,选项A错误,B正确;由能量守恒定律
知,整个回路产生的热量为Q=m-×2mv2=m,选项D错误。
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7. (2025·江西鹰潭一模)如图甲所示,水平面内有两根足够长的光滑平
行金属导轨,导轨固定且间距为L。空间存在竖直向下的匀强磁场,磁感
应强度大小为B。现将两根材料相同、横截面积不同、长度均为L的金属棒
ab、cd分别静置在导轨上。现给ab棒一水平向右的初速度v0,其速度随时
间变化的关系如图乙所示,两金属棒运动过程中,始终与导轨垂直且接触
良好。已知ab棒的质量为m,电阻为R。导轨电阻可忽略不计。下列说法正
确的是( )
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A. ab棒刚开始运动时,cd棒中的电流方向为d→c
B. ab运动后,cd棒将做加速度逐渐增大的加速运动
C. 在0~t0时间内,ab棒产生的热量为m
D. 在0~t0时间内,通过cd棒的电荷量为
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解析: 金属棒ab刚开始运动时,根据右手定则可知cd棒中的电流方向
为c→d,故A错误;ab运动后,由于安培力作用,速度会逐渐减小,同时
cd棒将做加速运动,回路总电动势减小,电流减小,cd棒受到的安培力会
减小,由于F=mcda,可知,cd棒的加速度会减小,故B错误;两金属棒组成的系统动量守恒,则mv0=(m+m')v0,解得m'=2m,由于ab棒与cd棒质量之比为1∶2,且它们的材料和长度相同,故横截面积之比为1∶2,由R=ρ,得电阻之比为2∶1,故ab棒与cd棒产生的热量之比为2∶1,根据两棒组成的系统能量守恒有m=(m+m')+Q,0~t0时间内ab棒产生的热量Qab=Q=m,故C错误;对cd棒,根据动量定理有BLt0=2m×v0,又q=t0,则在0~t0时间内,通过cd棒的电荷量q=,故D正确。
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8. 如图所示,两根光滑的导轨平行放置。导轨的水平部分放在绝缘水平面
上,水平部分所在空间有竖直向上的磁场,磁感应强度为B。导轨的水平
部分和倾斜部分由光滑圆弧连接。两根完全相同的金属棒ab和cd质量均为
m,接入电路的电阻均为R,将cd置于导轨的水平部分与导轨垂直放置,将
ab置于导轨的倾斜部分与导轨垂直放置,ab离水平面的高度为h,重力加
速度为g,现将ab由静止释放,求:
(1)cd棒最终的速度大小;
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解析: ab棒下滑过程机械能守恒,有mgh=m
解得v1=
ab棒和cd棒组成的系统动量守恒,有mv1=2mv2
解得v2=。
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(2)整个过程中产生的焦耳热Q。
答案: mgh
解析:整个过程中产生的焦耳热Q=m-×2m=mgh。
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9. 如图所示,空间存在有水平边界、垂直于纸面向里的匀强磁场,磁感应
强度为B,磁场边界上方l处有一个质量为m、电阻为R、边长为l的正方形
线框,将线框由静止释放,从线框下边框进入磁场经过时间Δt后线框上边
框进入磁场,不计空气阻力,重力加速度为g,求:
(1)线框下边框进入磁场时的速度大小;
答案:
解析: 线框下边框进入磁场前做自由落体运动,则
-0=2gl
解得线框下边框进入磁场时的速度大小v1=。
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(2)线框上边框进入磁场时的速度大小。
答案: +gΔt-
解析:线框进入磁场的过程,平均感应电动势
==
平均感应电流==,电荷量q=Δt=
线框进入磁场的过程,由动量定理有mgΔt-BlΔt=mv2-mv1
联立解得v2=+gΔt-。
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10. 两足够长且不计电阻的光滑金属轨道如图甲所示放置,间距为d=1
m,在左端弧形轨道部分高h=1.25 m处放置一金属杆a,弧形轨道与平直
轨道的连接处光滑无摩擦,在平直轨道右端放置另一金属杆b,杆a、b的电
阻分别为Ra=2 Ω、Rb=5 Ω,在平直轨道区域有竖直向上的匀强磁场,磁
感应强度B=2 T。现杆b以初速度大小v0=5 m/s开始向左滑动,同时由静止
释放杆a,杆a由静止滑到水平轨道的过程中,通过杆b的平均电流为0.3
A;从a下滑到水平轨道时开始计时,a、b运动的速度—时间图像如图乙所
示(以a运动方向为正方向),ma=2 kg,mb=1 kg,g取10 m/s2,求:
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(1)杆a在弧形轨道上运动的时间;
答案: 5 s
解析: 设杆a由静止滑至弧形轨道与平直轨道连接处时,杆b的速度大
小为vb0,对杆b运用动量定理,有dB·Δt=mb(v0-vb0)
由题图乙可知vb0=2 m/s
解得Δt=5 s。
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(2)杆a在水平轨道上运动的过程中通过其横截面的电荷量;
答案: C
解析:对杆a由静止下滑到平直导轨上的过程中,由机械能守恒定律有magh
=ma
设最后a、b两杆共同的速度为v',由动量守恒定律得mava-mbvb0=(ma+
mb)v'
设杆a的速度从va到v'的运动时间为Δt'
由动量定理得dB·Δt'=ma(va-v'),
又q=·Δt'
联立解得q= C。
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物 理·选择性必修第二册
(3)在整个运动过程中杆b产生的焦耳热。
答案: J
解析:由能量守恒定律可知,杆a、b中产生的焦耳热
Q=magh+mb-(mb+ma)v'2
杆b中产生的焦耳热Q'=Q
解得Q '= J。
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