Question

如圖所示，光滑的平行金屬導(dǎo)軌水平放置，電阻不計(jì)，導(dǎo)軌間距為L(zhǎng)=1m，左側(cè)接一阻值為R=0.3Ω的電阻，區(qū)域efgh內(nèi)存在垂直軌道平面向下的有界勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B=0.5T，磁場(chǎng)的寬度為d=1m；一質(zhì)量為m=1kg，電阻為r=0.2Ω的金屬棒MN置于導(dǎo)軌上，與導(dǎo)軌垂直且接觸良好，受到F=0.5v+0.4（N）（v為金屬棒運(yùn)動(dòng)速度）的水平力作用，從磁場(chǎng)的左邊界ef由靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，測(cè)得電阻兩端電壓隨時(shí)間均勻增大．
（1）若撤去水平力后棒的速度v隨位移x的變化規(guī)律滿足v=v₀-

B2L2

m(R+r)

?x，且棒在運(yùn)動(dòng)到gh處時(shí)恰好靜止，則水平力F作用的時(shí)間t為多少？
（2）若在棒未出磁場(chǎng)區(qū)域時(shí)撤去水平力F，畫(huà)出棒在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度v隨位移x變化的各種可能的圖線．

Answer 1

分析：（1）根據(jù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、歐姆定律得到電阻R兩端的電壓與金屬棒速度v的關(guān)系式，根據(jù)R兩端的電壓U均勻增大，分析金屬棒的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)．U均勻增大，v均勻增大，金屬棒做勻加速運(yùn)動(dòng)，由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式得出金屬棒勻加速運(yùn)動(dòng)的位移和速度與時(shí)間的關(guān)系式．撤去外力后，由題v=v₀-

B2L2

m(R+r)

?x，得到勻加速運(yùn)動(dòng)的末速度與減速運(yùn)動(dòng)位移的關(guān)系式，聯(lián)立求解t．
（2）作出棒在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度v隨位移x變化的各種可能的圖線．

解答：解：（1）金屬棒運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)為
  E=BLv
棒和電阻R構(gòu)成的回路中的電流為
  I=

E

R+r

電阻R兩端的電壓為U=IR=

BLR

R+r

v∝v
由題意知，電阻兩端電壓U隨時(shí)間均勻增大，所以v也隨時(shí)間均勻增大，棒做勻加速直線運(yùn)動(dòng)．則有
   x₁=

1

2

at2，v₁=at
棒受力F=0.5v+0.4和安培阻力F_A=BIL，由牛頓第二定律得：
（0.5v+0.4）-BIL=ma，
代入解得，a=0.4m/s²．
撤去外力后棒減速運(yùn)動(dòng)，由題設(shè)v=v₀-

B2L2

m(R+r)

?x，得
0=v₁-

B2L2

m(R+r)

?x₂，
由圖看出，全程運(yùn)動(dòng)有：x₁+x₂=d
將已知條件代入得：0.2t²+0.8t-1=0
解得  t=1s．
（2）速度v隨位移x變化的可能的圖線有：

答：（1）水平力F作用的時(shí)間t為1s．（2）速度v隨位移x變化的可能的圖線如上圖所示．

點(diǎn)評(píng)：本題關(guān)鍵是分析金屬棒的運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)電壓與速度的關(guān)系進(jìn)行分析，還要抓住兩個(gè)過(guò)程之間速度關(guān)系和位移關(guān)系，列方程求解時(shí)間．