Question

19．如圖所示，兩條互相平行的光滑金屬導(dǎo)軌位于水平面內(nèi)，距離為L(zhǎng)=0.2m，在導(dǎo)軌的一端接有阻值為R=0.5Ω的電阻，在x≥0的區(qū)域有與水平面垂直的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.5T．一質(zhì)量為m=0.1kg的金屬直桿垂直放置在導(dǎo)軌上，并以v₀=2m/s的初速度進(jìn)入磁場(chǎng)，在安培力和一垂直于桿的水平力F的共同作用下做勻減速直線運(yùn)動(dòng)，加速度大小a=2m/s²．設(shè)導(dǎo)軌和金屬桿的電阻都可忽略，且接觸良好．求：
（1）電路中電流減小到零的瞬間金屬桿所處的位置坐標(biāo)；
（2）當(dāng)金屬直桿速度減小到1m/s時(shí)施加在金屬桿上外力F的大小和方向．

Answer 1

分析 （1）電流為0時(shí)，電動(dòng)勢(shì)為0，切割的速度為0．即知電流為0的位置為金屬桿勻減速運(yùn)動(dòng)速度為0的位置，根據(jù)勻變速運(yùn)動(dòng)的公式求出金屬桿的位移．
（2）當(dāng)速度為v₀時(shí)，電動(dòng)勢(shì)最大，電流最大，根據(jù)E=BLv，結(jié)合閉合電路歐姆定律，可以求出最大電流．從而可以求出電流為最大值的一半時(shí)所受的安培力，根據(jù)牛頓第二定律求出外力的大小和方向．（要考慮金屬桿的運(yùn)動(dòng)方向）

解答 解：（1）感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=Blv，I=$\frac{E}{R}$，故I=0時(shí)v=0，
則 x=$\frac{{v}_{0}^{2}}{2a}$=$\frac{{2}^{2}}{2×2}$m=1m．
（2）速度變?yōu)樵瓉硪话霑r(shí)的電流I′=$\frac{BL{v}_{0}}{2R}$．
安培力F_A=$\frac{{B}^{2}{L}^{2}{v}_{0}}{2R}$=$\frac{0．{5}^{2}×0．{2}^{2}×2}{2×0.5}$N=0.02N，
向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，F(xiàn)+F_A=ma，F(xiàn)=ma-F_A=0.1×2-0.02=0.18，方向與x軸相反
向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，F(xiàn)-F_A=ma，F(xiàn)=ma+F_A=0.1×2+0.02=0.22N，方向與x軸相反
答：（1）電流為零時(shí)金屬桿所處的位置X=1m；
（2）電流為最大值的一半時(shí)施加在金屬桿上外力F的大小和方向：
向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，F(xiàn)+F_A=ma，F(xiàn)=ma-F_A=0.18，方向與x軸相反
向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，F(xiàn)-F_A=ma，F(xiàn)=ma+F_A=0.22N，方向與x軸相反

點(diǎn)評(píng) 解決本題的關(guān)鍵正確地對(duì)金屬桿進(jìn)行受力分析，靈活運(yùn)用牛頓第二定律．以及掌握導(dǎo)體棒切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=BLv，一定要考慮運(yùn)動(dòng)的方向．