Question

【題目】如圖所示，兩根間距為L的金屬導(dǎo)軌MN和PQ，電阻不計(jì)，左端彎曲部分光滑，水平部分導(dǎo)軌與導(dǎo)體棒間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，水平導(dǎo)軌左端有寬度為d、方向豎直向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)Ⅰ，右端有另一勻強(qiáng)磁場(chǎng)Ⅱ，其寬度也為d，但方向豎直向下，兩磁場(chǎng)的磁感強(qiáng)度大小均為B0 ，相隔的距離也為d。有兩根質(zhì)量為m的金屬棒a和b與導(dǎo)軌垂直放置，金屬棒a電阻為R，金屬棒b電阻為r，b棒置于磁場(chǎng)Ⅱ中點(diǎn)C、D處。若最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力�，F(xiàn)將a棒從彎曲導(dǎo)軌上某一高處由靜止釋放并沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)。

（1）當(dāng)a棒在磁場(chǎng)Ⅰ中運(yùn)動(dòng)時(shí)，若要使b棒在導(dǎo)軌上保持靜止，則a棒剛釋放時(shí)的高度應(yīng)小于某一值h0，求h0的大小；

（2）若將a棒從彎曲導(dǎo)軌上高度為h（h<h0）處由靜止釋放，a棒恰好能運(yùn)動(dòng)到磁場(chǎng)Ⅱ的左邊界處停止，求此過(guò)程中金屬棒b上產(chǎn)生的電熱Qb；

（3）若將a棒仍從彎曲導(dǎo)軌上高度為h（h<h0）處由靜止釋放，為使a棒通過(guò)磁場(chǎng)Ⅰ時(shí)恰好無(wú)感應(yīng)電流，可讓磁場(chǎng)Ⅱ的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間而變化，將a棒剛進(jìn)入磁場(chǎng)Ⅰ的時(shí)刻記為t＝0，此時(shí)磁場(chǎng)Ⅱ的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B0，試求出在a棒通過(guò)磁場(chǎng)Ⅰ的這段時(shí)間里，磁場(chǎng)Ⅱ的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間變化的關(guān)系式。

Answer 1

【答案】(1) （2）(mgh－μmg2d)r/(R+r) （3）

【解析】試題分析：根據(jù)b棒受力平衡求出電流的大小，通過(guò)閉合電路歐姆定律求出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，從而求出a棒的速度，根據(jù)機(jī)械能守恒定律求出a棒下降的高度；由全過(guò)程能量守恒與轉(zhuǎn)化規(guī)律求出總熱量，再根據(jù)電阻間的關(guān)系求出金屬棒b上產(chǎn)生的電熱；棒通過(guò)磁場(chǎng)Ⅰ時(shí)恰好無(wú)感應(yīng)電流，說(shuō)明感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零，即整個(gè)回路中的磁通量不變。a棒進(jìn)入磁場(chǎng)做勻減速直線運(yùn)動(dòng)，b棒靜止，根據(jù)磁通量不變求出磁場(chǎng)Ⅱ的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間變化的關(guān)系式。

（1）因?yàn)?/span>a棒進(jìn)入磁場(chǎng)Ⅰ后做減速運(yùn)動(dòng)，所以只要?jiǎng)傔M(jìn)入時(shí)b棒不動(dòng)，b就可以靜止不動(dòng)．對(duì)對(duì)a棒：由機(jī)械能守恒：

根據(jù)閉合電路歐姆定律：

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：E＝B0Lv0

對(duì)b棒：B0IL＝μmg

聯(lián)立解得：

（2）由全過(guò)程能量守恒與轉(zhuǎn)化規(guī)律：mgh＝μmg2d＋Q

總熱量為：Q=(mgh－μmg2d)

解得金屬棒b上產(chǎn)生的電熱：

（3）a棒通過(guò)磁場(chǎng)Ⅰ時(shí)恰好無(wú)感應(yīng)電流，說(shuō)明感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零，

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律：

在Δt≠0的前提下，ΔΦ＝0即Φ保持不變

對(duì)a棒：由機(jī)械能守恒：

a棒進(jìn)入磁場(chǎng)Ⅰ后，由牛頓第二定律得：a＝μg

經(jīng)過(guò)時(shí)間t，a棒進(jìn)入磁場(chǎng)Ⅰ的距離為：

磁通量為：

又最初磁通量為：

聯(lián)立解得：