Question

【題目】如圖所示，有兩根足夠長的平行光滑導軌水平放置，右側用一小段光滑圓弧和另一對豎直光滑導軌平滑連接，導軌間距L＝1m。細金屬棒ab和cd垂直于導軌靜止放置，它們的質量m均為1kg，電阻R均為0.5Ω。cd棒右側lm處有一垂直于導軌平面向下的矩形勻強磁場區(qū)域，磁感應強度B＝1T，磁場區(qū)域長為s。以cd棒的初始位置為原點，向右為正方向建立坐標系�，F(xiàn)用向右的水平恒力F＝1.5N作用于ab棒上，作用4s后撤去F。撤去F之后ab棒與cd棒發(fā)生彈性碰撞，cd棒向右運動。金屬棒與導軌始終接觸良好，導軌電阻不計，空氣阻力不計。（g=10m/s2）求：

(1) ab棒與cd棒碰撞后瞬間的速度分別為多少；

(2)若s＝1m，求cd棒滑上右側豎直導軌，距離水平導軌的最大高度h；

(3)若可以通過調(diào)節(jié)磁場右邊界的位置來改變s的大小，寫出cd棒最后靜止時與磁場左邊界的距離x的關系。（不用寫計算過程）

Answer 1

【答案】（1）0，；（2）1.25 m；（3）見解析

【解析】

(1)對ab棒，由動量定理得

ab棒與cd棒碰撞過程，取向右方向為正，對系統(tǒng)由動量守恒定律得

由系統(tǒng)機械能守恒定律得

解得，

(2)由安培力公式可得

對cd棒進入磁場過程，由動量定理得

設導體棒cd進出磁場時回路磁通量變化量為

以上幾式聯(lián)立可得。

對cd棒出磁場后由機械能守恒定律可得

聯(lián)立以上各式得。

(3)第一種情況如果磁場s足夠大，cd棒在磁場中運動距離時速度減為零，由動量定理可得

設磁通量變化量為

流過回路的電量

聯(lián)立可得

即s≥6 m，x=6 m，停在磁場左邊界右側6m處。

第二種情況cd棒回到磁場左邊界仍有速度，這時會與ab再次發(fā)生彈性碰撞，由前面計算可得二者速度交換，cd會停在距磁場左邊界左側1m處，設此種情況下磁場區(qū)域寬度，向右運動時有

返回向左運動時

通過回路的電量

聯(lián)立可得

即s＜3 m時，x=1 m，停在磁場左邊界左側1m處；

第三種情況3 m≤s＜6 m，

向右運動時有

通過回路的電量

返回向左運動時

通過回路的電量

聯(lián)立可得x=(2s－6）m，在磁場左邊界右側。