Question

【題目】如圖所示，光滑、足夠長(zhǎng)、不計(jì)電阻、軌道間距為l的平行金屬導(dǎo)軌MN、PQ，水平放在豎直向下的磁感應(yīng)強(qiáng)度不同的兩個(gè)相鄰的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，左半部分為Ι勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B1；右半部分為Ⅱ勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B2，且B1=2B2。在Ι勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)的左邊界垂直于導(dǎo)軌放置一質(zhì)量為m、電阻為R1的金屬棒a，在Ι勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)的某一位置，垂直于導(dǎo)軌放置另一質(zhì)量也為m、電阻為R2的金屬棒b。開始時(shí)b靜止，給a一個(gè)向右沖量I后a、b開始運(yùn)動(dòng)。設(shè)運(yùn)動(dòng)過程中，兩金屬棒總是與導(dǎo)軌垂直。

（1）求金屬棒a受到?jīng)_量后的瞬間通過金屬導(dǎo)軌的感應(yīng)電流；

（2）設(shè)金屬棒b在運(yùn)動(dòng)到Ι勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)的右邊界前已經(jīng)達(dá)到最大速度，求金屬棒b在Ι勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)中的最大速度值；

（3）金屬棒b進(jìn)入Ⅱ勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)后，金屬棒b再次達(dá)到勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，設(shè)這時(shí)金屬棒a仍然在Ι勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)中。求金屬棒b進(jìn)入Ⅱ勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)后的運(yùn)動(dòng)過程中金屬棒a、b中產(chǎn)生的總焦耳熱。

Answer 1

【答案】（1）i=；（2）vm=；（3）Q=

【解析】

（1）導(dǎo)體棒瞬間得到一個(gè)初速度，回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，由閉合電路歐姆定律求解電流大小
（2）選ab兩棒組成的系統(tǒng)為研究對(duì)象，可得水平方向動(dòng)量守恒，可解b棒的最大速度值
（3）金屬棒b進(jìn)入Ⅱ勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)后，穿過回路的磁通量減小，回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，兩棒均受安培力作用，使a減速，b加速，最終兩棒產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相等時(shí)，兩棒改作勻速直線運(yùn)動(dòng)，此過程中產(chǎn)生的焦耳熱等于兩棒動(dòng)能的減少量

（1）設(shè)金屬棒a受到?jīng)_量I時(shí)的速度為v0，金屬棒a產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為E，金屬軌道中的電流為i，則
由動(dòng)量定理得：I=mv0
由法拉第電磁感應(yīng)定律得：E=B1lv0
i=
即：
（2）金屬棒a和金屬棒b在左部分磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)過程中所受安培力大小相等、方向相反，合力為零，故a、b組成的系統(tǒng)，水平方向動(dòng)量守恒．
金屬棒a和金屬棒b在Ι勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)中運(yùn)動(dòng)過程中達(dá)到的最大速度vm時(shí)，二金屬棒速度相等，感應(yīng)電流為零，二金屬棒勻速運(yùn)動(dòng)，根據(jù)動(dòng)量守恒定律有
mv0=2mvm
vm=
（3）金屬棒b進(jìn)入Ⅱ勻強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，設(shè)金屬棒a的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為E1，金屬棒b的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為E2，
E1=B1lvm
E2=B2lvm
因?yàn)?/span>B1=2B2
所以E1=2E2
所以，金屬棒b一進(jìn)入Ⅱ勻強(qiáng)磁場(chǎng)，電流立即出現(xiàn)，在安培力作用下金屬棒a做減速運(yùn)動(dòng)，金屬棒b做加速運(yùn)動(dòng)．設(shè)金屬棒a在Ι勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)運(yùn)動(dòng)速度從vm變化到最小速度va，所用時(shí)間為t，金屬棒b在Ⅱ勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)運(yùn)動(dòng)速度從vm變化到最大速度為vb，所用時(shí)間也為t，此后金屬棒a、b都勻速運(yùn)動(dòng)，則
B1lva=B2lvb
即vb=2va
設(shè)在t時(shí)間內(nèi)通過金屬棒a、b的電流平均值為，根據(jù)動(dòng)量定理有：
B1lt=mva-mvm方向向左
B2lt=mvb-mvm方向向右
解得：va＝vm vb＝vm
設(shè)金屬棒b進(jìn)入Ⅱ勻強(qiáng)磁場(chǎng)后，金屬棒a、b產(chǎn)生的總焦耳熱為Q，根據(jù)能量守恒，有：

整理得：Q=