Question

如圖所示，兩根水平金屬導軌MN、PQ平行放置，相距為d，在導軌右端跨接一定值電阻R，導軌電阻不計．一長度為d、質(zhì)量m、電阻為r的金屬棒ef垂直于導軌靜止放置，且與導軌保持良好接觸．整個裝置處于豎直向上的勻強磁場中，磁感應強度大小為B．金屬棒在受到水平向右的瞬時沖量作用后沿導軌滑行s后再次靜止，測得此過程中電阻R上產(chǎn)生的電熱為Q．已知棒與兩導軌間的動摩擦因數(shù)均為μ，求：
（1）金屬棒的初速度v₀；
（2）金屬棒在導軌上運動的時間t；
（3）若其他條件不變，僅將磁場方向變?yōu)樾毕蛏锨遗c水平方向的夾角為α（圖中虛線所示）．求金屬棒受到水平向右的瞬時沖量作用后獲得初速度v₀時沿導軌滑行的加速度a．

Answer 1

分析：（1）金屬棒向右運動的過程中，R上產(chǎn)生電熱為Q，由焦耳定律和串聯(lián)關系求出金屬棒產(chǎn)生的電熱，根據(jù)能量守恒求解金屬棒的初速度v₀；
（2）根據(jù)感應電荷量q=

△Φ

R+r

和動量定理結(jié)合，即可求出運動時間t．
（3）分析金屬棒的受力情況，推導出安培力，由牛頓第二定律求加速度a．

解答：解：（1）由焦耳定律得知，金屬棒上產(chǎn)生的電熱為 

r

R

Q
根據(jù)能量守恒有：

1

2

mv₀²=μmgs+Q+

r

R

Q
解得金屬棒的初速度：v₀=

2μgs+ 2(R+r) mR Q

（2）在時間t內(nèi)通過導體橫截面的電量為：q=

.

I

△t，

.

I

=

. E

R+r

，

.

E

=

△Φ

△t

，
則得：q=

△?

R+r

=

Bds

R+r

根據(jù)動量定理得：Bdq+μmgt=mv₀
解得金屬棒在導軌上運動的時間：t=

v0

μg

-

B2d2s

μmg(R+r)

（3）金屬棒的受力如圖所示．
感應電動勢：E=Bdv₀sinα
感應電流：I=

E

R+r

根據(jù)牛頓第二定律有：BIdsinα+μ（mg-BIdcosα）=ma
解得：a=

B2d2sinα(sinα-μcosα)

m(R+r)

v0+μg，其方向與v₀相反．
答：
（1）金屬棒的初速度v₀是

2μgs+ 2(R+r) mR Q

．
（2）金屬棒在導軌上運動的時間t是

v0

μg

-

B2d2s

μmg(R+r)

；
（3）金屬棒受到水平向右的瞬時沖量作用后獲得初速度v₀時沿導軌滑行的加速度a為

B2d2sinα(sinα-μcosα)

m(R+r)

v₀+μg．

點評：解決本題的關鍵是運用動量定理和感應電荷量表達式q=

△?

R+r

=

Bds

R+r

求時間t，要理解并會正確推導此式，這在電磁感應中常常用到．