Question

如圖所示，豎直平面內(nèi)有光滑且不計(jì)電阻的兩道金屬導(dǎo)軌，寬都為L(zhǎng)=1m，上方安裝有一個(gè)阻值R=1Ω的定值電阻．兩根質(zhì)量都為m，電阻都為r=0.5Ω，完全相同的金屬桿靠在導(dǎo)軌上，金屬桿與導(dǎo)軌等寬且與導(dǎo)軌接觸良好，虛線下方的區(qū)域內(nèi)存在勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=1T．將金屬桿l固定在磁場(chǎng)的上邊緣，金屬桿2從磁場(chǎng)邊界上方 h₀=0.2m處由靜止釋放，進(jìn)入磁場(chǎng)后恰作勻速運(yùn)動(dòng)，求：
（1）金屬桿的質(zhì)量m為多大？
（2）將金屬桿l仍然固定在磁場(chǎng)上邊緣，金屬桿2從磁場(chǎng)邊界上方h=1.5m高處?kù)o止釋放，經(jīng)過一段時(shí)間后再次勻速，此過程整個(gè)回路中產(chǎn)生了0.05J的熱量，則此過程流過電阻R的電量q為多少？
（3）金屬桿2仍然從離開磁場(chǎng)邊界h=1.5m高處?kù)o止釋放，在進(jìn)入磁場(chǎng)的同時(shí)靜止釋放金屬桿1，兩金屬桿運(yùn)動(dòng)了一段時(shí)間后都開始了勻速運(yùn)動(dòng)，試求出金屬桿1和金屬桿2勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度分別是多少？（兩個(gè)電動(dòng)勢(shì)分別為E₁、E₂不同的電源串聯(lián)時(shí)，電路中總的電動(dòng)勢(shì)E=E₁+E₂）．

Answer 1

分析：（1）由機(jī)械能守恒可求得金屬桿2進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)的速度，而金屬桿2做勻速直線運(yùn)動(dòng)，則由受力平衡可求得金屬桿的質(zhì)量；
（2）由動(dòng)能定理?xiàng)U下落的高度，再求得由法拉第電磁感應(yīng)定律可求知產(chǎn)生的電量；
（3）分別對(duì)兩桿進(jìn)行受力分析，可知兩桿的運(yùn)動(dòng)及受力情況；兩桿均可看作電源，則由電路的規(guī)律可知電流表達(dá)式；當(dāng)桿勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)受力平衡，則可得出平衡關(guān)系，聯(lián)立各式可求得勻速時(shí)的速度．

解答：解：（1）勻速時(shí)，
mg=F_A=

B2L2v

R+2r

…①
磁場(chǎng)外下落過程mgh₀=

1

2

mv2…②
得m=0.1kg
（2）設(shè)流過電量q的過程中，
金屬桿2在磁場(chǎng)中下落H
q=

△?

R+2r

=

BLH

R+2r

…③
由動(dòng)能定理：mg(h+H)-Q總=

1

2

mv2-0…④
由①③④得：q=0.05C
（3）因?yàn)閔＜h₀，
所以金屬桿1進(jìn)入磁場(chǎng)后先加速，加速度向下
由于兩金屬桿流過電流相同，
所以F_A相同
對(duì)金屬桿1有mg-F_A=ma₁
對(duì)金屬桿2有mg-F_A=ma₂
發(fā)現(xiàn)表達(dá)式相同，
所以兩金屬桿加速度a₁和a₂始終相同，
兩金屬桿速度差值也始終相同
設(shè)勻速時(shí)速度分別為v₁、v₂，有
v₂-v₁=

2gh

-0…⑤
又E=BLv₁+BLv₂
都勻速時(shí)，mg=F_A=

B2L2(v1+v2)

R+2r

…⑥
聯(lián)立⑤⑥得
v₂=

2+ 3

2

m/s
V₁=

2- 3

2

m/s．

點(diǎn)評(píng)：本題中難點(diǎn)在于對(duì)于雙電源的處理及通過分析明確兩桿中電流相等、受安培力相等；總之此類問題應(yīng)注意對(duì)過程及情景的分析，進(jìn)而抓住關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行處理．