Question

如圖1所示，兩根不計(jì)電阻的光滑導(dǎo)軌ab、cd固定在水平面上，導(dǎo)軌間寬度L=0.4m．空間中存在垂直于導(dǎo)軌平面、磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.5T的勻強(qiáng)磁場．a(chǎn)b間接有R=0.1Ω的定值電阻和理想電壓表．一根質(zhì)量m=0.1kg、內(nèi)阻r=0.4Ω的金屬桿與導(dǎo)軌良好接觸，在水平外力F作用下從靜止起向左運(yùn)動(dòng)，先勻加速后勻減速，經(jīng)過t=4s后停止．加速和減速過程中加速度大小均為a=0.5m/s²．求：
（1）電壓表讀數(shù)的最大值．
（2）金屬桿在相對(duì)軌道滑動(dòng)的過程中，外力F何時(shí)最��？
（3）若導(dǎo)軌電阻不可忽略，把理想電壓表接在右端bc兩點(diǎn)間．金屬桿從bc端開始以恒定速度1m/s向左滑動(dòng)到ad端，畫出合理的電壓表讀數(shù)U與通過金屬桿電流I的關(guān)系圖．（本小題僅根據(jù)圖象給分，需要標(biāo)出關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)）

Answer 1

【答案】分析：（1）勻加速直線運(yùn)動(dòng)末，速度最大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，根據(jù)E=BLv求出最大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，再根據(jù)閉合電路歐姆定律求出電壓表讀數(shù)的最大值．
（2）根據(jù)牛頓第二定律，結(jié)合閉合電路歐姆定律和切割產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)公式，求出外力F隨時(shí)間的關(guān)系式，從而確定何時(shí)F最�。�
（3）根據(jù)E=BLv求出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小，根據(jù)閉合電路歐姆定律求出電壓表讀數(shù)與電流的關(guān)系式，從而作出U-I圖線．
解答：解：（1）2s時(shí)速度最大．
v_m==1m/s
E_m=BLv_m=0.5×0.4×1=0.2V
．
（2）勻減速階段，設(shè)外力F向左
F_A-F=ma  F_A=ILB==0.08-0.04（t-2）
F=0.03-0.04（t-2）
外力F先減小后向右增大
得t=2.75s時(shí)，外力F最小為零
（3）設(shè)向左滑動(dòng)過程中導(dǎo)軌電阻為Rx
電動(dòng)勢(shì)E=BLv=0.2V
電流 I=     Rx+0.5=
電壓表移至bc端，即測路端電壓
所以U=I（R+R_x）=-0.4I+0.2
由于初始時(shí)U＜0.2V，末狀態(tài)（即棒運(yùn)動(dòng)至ad兩端）時(shí)，U==0.04V．
答：（1））電壓表讀數(shù)的最大值為0.04V．
（2）金屬桿在相對(duì)軌道滑動(dòng)的過程中，外力F在2.75s時(shí)最小，大小為零．
（3）如圖．
點(diǎn)評(píng)：本題綜合考查了切割產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)公式，以及閉合電路歐姆定律等，綜合性較強(qiáng)，對(duì)學(xué)生能力要求較高，是一道好題．