Question

16．相距為L的光滑平行導(dǎo)軌與水平面成θ角放置，上端連電阻R，處在與所在平面垂直的勻強磁場中，磁感應(yīng)強度大小為B₀，電阻為r的導(dǎo)體MN（質(zhì)量m）垂直導(dǎo)軌并在兩導(dǎo)軌上，導(dǎo)體MN距離上端電阻R的距離也為L．（設(shè)B₀=1T，L=1m，θ=30°，m=0.1kg，R=0.8Ω，r=0.2Ω，g=10m/s²．）

（1）靜止釋放導(dǎo)體MN，求：
①MN獲得的最大速度v_m．
②若MN沿斜面下滑0.2m時恰好獲得最大速度，求在此過程中回路一共生熱多少焦？
（2）設(shè)單位時間內(nèi)磁感應(yīng)強度增加量為k，磁感應(yīng)強度初始值為B₀．現(xiàn)給一個平行斜面且垂直MN的外力（設(shè)沿斜面向上為外力的正方向），使導(dǎo)體MN始終靜止在軌道上．寫出外力F隨時間t的變化關(guān)系式并畫出F（沿斜面向上為正）隨時間t的函數(shù)圖象（k=1T/s）．

Answer 1

分析 （1）導(dǎo)體MN由靜止釋放，沿導(dǎo)軌向下做加速運動，當導(dǎo)體MN所受合力為零時，導(dǎo)體做勻速直線運動，速度達到最大，對導(dǎo)體進行受力分析，由平衡條件求出導(dǎo)體獲得的最大速度；導(dǎo)體克服安培力做功轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，由能量守恒定律可以求出回路產(chǎn)生的焦耳熱．
（2）由法拉第電磁感應(yīng)定律求出感應(yīng)電動勢，由歐姆定律求出感應(yīng)電流，由F=BIL求出安培力大小，由楞次定律判斷出感應(yīng)電流方向，由左手定值判斷出安培力的方向，對導(dǎo)體受力分析，由平衡條件列方程求出拉力大小，然后作出圖象．

解答 解：（1）①導(dǎo)體受力如右圖所示，
安培力F_安=B₀IL=B₀$\frac{{B}_{0}L{v}_{m}}{R+r}$L=$\frac{{B}_{0}^{2}{L}^{2}{v}_{m}}{R+r}$，
導(dǎo)體MN由靜止開始向下做加速度減小的加速運動，當導(dǎo)體所受合力為零時，速度達到最大v_m，由平衡條件得：
 mgsin30°=F_安，
則最大速度 v_m=$\frac{mg（R+r）sin30°}{{B}_{0}^{2}{L}^{2}}$=0.5m/s；
②由能量守恒定律：mgxsin30°=$\frac{1}{2}$mv_m²+Q，
代入數(shù)據(jù)解得：Q=0.0875J
（2）由題意知B=B₀+kt，由法拉第電磁感應(yīng)定律得
E′=$\frac{△Φ}{△t}$=S$\frac{△B}{△t}$=kL²
安培力：F_安′=BI′L=B$\frac{E′}{R+r}$L
由平衡條件得
 mgsin30°=F_安′+F
聯(lián)立得 F=mgsin30°-F_安′=0.5-（B₀+kt）$\frac{k{L}^{2}}{R+r}$L=-0.5-t（N）
F-t圖象如下圖所示．

答：（1）①MN獲得的最大速度v_m=0.5m/s；
②若MN沿斜面下滑0.2m時恰好獲得最大速度，在此過程中回路產(chǎn)生的熱量為0.0875J．
（2）外力F隨時間t的變化關(guān)系式為：F=-0.5-t（N）；F-t圖象如圖所示．

點評 在導(dǎo)體MN沿軌道下滑時，導(dǎo)體受到的安培力是變力，當安培力達到等于重力沿斜面向下的分力時，導(dǎo)體導(dǎo)體受到的合力為零，導(dǎo)體做勻速直線運動，速度達到最大．