Question

8．如圖所示，有一足夠長(zhǎng)的光滑平行金屬導(dǎo)軌，電阻不計(jì)，間距L=0.5m，導(dǎo)軌沿與水平方向成θ=30°傾斜放置，底部連接有一個(gè)阻值為R=3Ω的電阻．現(xiàn)將一根長(zhǎng)也為L(zhǎng)=0.5m質(zhì)量為m=0.2kg、電阻r=2Ω的均勻金屬棒，自軌道頂部靜止釋放后沿軌道自由滑下，下滑中均保持與軌道垂直并接觸良好，經(jīng)一段距離后進(jìn)入一垂直軌道平面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，如圖所示．磁場(chǎng)上部有邊界OP，下部無(wú)邊界，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=2T．金屬棒進(jìn)入磁場(chǎng)后又運(yùn)動(dòng)了一段距離便開(kāi)始做勻速直線運(yùn)動(dòng)，在做勻速直線運(yùn)動(dòng)之前這段時(shí)間內(nèi)，金屬棒上產(chǎn)生了Q_r=2.4J的熱量，且通過(guò)電阻R上的電荷量為q=0.6C，取g=10m/s²．求：
（1）金屬棒勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的速v₀；
（2）金屬棒進(jìn)入磁場(chǎng)后，當(dāng)速度v=6m/s時(shí)，其加速度a；
（3）磁場(chǎng)的上部邊界OP距導(dǎo)軌頂部的距離S．

Answer 1

分析 勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬棒受到重力、支持力和安培力作用．安培力與速度有關(guān)，根據(jù)平衡條件可求出速度．根據(jù)牛頓第二定律求出加速度．金屬棒自軌道頂部靜止釋放后沿軌道自由滑下，其重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能和內(nèi)能，根據(jù)能量守恒定律求得距離S．

解答 解：（1）根據(jù)平衡條件得：F_安=mgsinθ
又F_安=BIL，I=$\frac{E}{R+r}$，E=BLv₀，則：F_安=$\frac{{B}^{2}{L}^{2}{v}_{0}}{R+r}$，
代入數(shù)據(jù)解得：v₀=5m/s；
（2）由牛頓第二定律得：mgsinθ-F_安=ma，
代入數(shù)據(jù)解得：a=-1m/s²，
說(shuō)明此時(shí)加速度大小為1m/s²，方向沿斜面向上．
（3）由于金屬棒r和電阻R上電流時(shí)刻相同，由焦耳定律Q=I²Rt，得知Q∝R
則R產(chǎn)生的熱量為Q_R=$\frac{R}{r}$Q_r，
代入數(shù)據(jù)解得：Q_R=3.6J，
金屬棒勻速運(yùn)動(dòng)整個(gè)電路產(chǎn)生的總熱量為：Q=Q_R+Q_r=3.6+2.4=6J，
在該過(guò)程中電路的平均電流為I=$\frac{E}{R+r}$=$\frac{△φ}{△t（R+r）}$，
設(shè)勻速前金屬棒在磁場(chǎng)中位移為x，則此過(guò)程中通過(guò)R的電量為：
q=I•△t=$\frac{△φ}{R+r}$=$\frac{BLx}{R+r}$，
從釋放到剛勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由能量守恒定律得：
gsinθ（S+x）=$\frac{1}{2}$mv₀²+Q，代入數(shù)據(jù)解得：S=5.5m．
答：（1）金屬棒勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的速v₀為5m/s；
（2）金屬棒進(jìn)入磁場(chǎng)后，當(dāng)速度v=6m/s時(shí)，加速度大小為1m/s²，方向沿斜面向上；
（3）磁場(chǎng)的上部邊界OP距導(dǎo)軌頂部的距離S為5.5m．

點(diǎn)評(píng) 本題電磁感應(yīng)中的力學(xué)問(wèn)題，電磁與力聯(lián)系橋梁是安培力，這種類(lèi)問(wèn)題在于安培力的分析和計(jì)算．涉及熱量常常從能量守恒研究．