Question

15．如圖甲所示，MN、PQ為間距L=0.5m足夠長的平行導(dǎo)軌，NQ⊥MN，導(dǎo)軌的電陽均不計．導(dǎo)軌平面與水平面間的夾角θ=37°，NQ間連接有一個R=4Ω的電阻．有一勻強磁場垂直于導(dǎo)軌平面且方向向上，磁感應(yīng)強度為B_o=1T．將一根質(zhì)量為m=0.05kg的金屬棒ab緊靠NQ放置在導(dǎo)軌上，且與導(dǎo)軌接觸良好．現(xiàn)由靜止釋放金屬棒，當(dāng)金屬棒滑行至cd處時達到穩(wěn)定速度，已知在此過程中通過金屬棒截面的電量q=0.2C，且金屬棒的加速度a與速度v的關(guān)系如圖乙所示，設(shè)金屬棒沿導(dǎo)軌向下運動過程中始終與NQ平行．取g=10m/s²．求：

（1）金屬棒與導(dǎo)軌間的動摩擦因數(shù)μ；
（2）cd離NQ的距離s；
（3）金屬棒滑行至cd處的過程中，電阻R上產(chǎn)生的熱量；
（4）若將金屬棒滑行至cd處的時刻記作t=0，從此時刻起，讓磁感應(yīng)強度逐漸減小，為使金屬棒中不產(chǎn)生感應(yīng)電流，則磁感應(yīng)強度B應(yīng)怎樣隨時間t變化（寫出B與t的關(guān)系式）．

Answer 1

分析 （1）當(dāng)剛釋放時，導(dǎo)體棒中沒有感應(yīng)電流，所以只受重力、支持力與靜摩擦力，由牛頓第二定律可求出動摩擦因數(shù)．
（2）當(dāng)金屬棒速度穩(wěn)定時，則受到重力、支持力、安培力與滑動摩擦力達到平衡，這樣可以列出安培力公式，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的公式，再由閉合電路毆姆定律，列出平衡方程可求出金屬棒的內(nèi)阻，從而利用通過棒的電量來確定發(fā)生的距離．
（3）金屬棒滑行至cd處的過程中，由動能定理可求出安培力做的功，而由于安培力做功導(dǎo)致電能轉(zhuǎn)化為熱能．
（4）要使金屬棒中不產(chǎn)生感應(yīng)電流，則穿過線框的磁通量不變．同時棒受到重力、支持力與滑動摩擦力做勻加速直線運動．從而可求出磁感應(yīng)強度B應(yīng)怎樣隨時間t變化的．

解答 解：（1）當(dāng)v=0時，a=2m/s²
由牛頓第二定律得：mgsinθ-μmgcosθ=ma
μ=0.5       
（2）由圖象可知：v_m=2m/s  
當(dāng)金屬棒達到穩(wěn)定速度時，有F_A=B₀IL；
且B₀IL+μmgcosθ=mgsinθ
解得I=0.2A；
切割產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢：E=B₀Lv=1×0.5×2=1V；
因$I=\frac{E}{R+r}$，
解得r=1Ω
電量為：$q=\overline{I}t=\frac{△∅}{△t（R+r）}△t=\frac{BLs}{（R+r）}$
解得：s=2m
（3）對棒由動能定理得：$mgh-μmgscos37°-{W}_{F}=\frac{1}{2}m{v}^{2}-0$
產(chǎn)生熱量：Q_總=W_F=0.1J
由串并聯(lián)電路特點：${Q}_{R}=\frac{R}{R+r}{Q}_{總}=\frac{4}{5}×0.1=0.08J$
（4）當(dāng)金屬棒中不產(chǎn)生感應(yīng)電流，此時回路中的總磁通量不變時，
金屬棒將沿導(dǎo)軌做勻加速運動．              
由牛頓第二定律：mgsinθ-μmgcosθ=ma
a=g（sinθ-μcosθ）=10×（0.6-0.5×0.8）m/s²=2m/s²
${B}_{0}Ls=BL（s+vt+\frac{1}{2}a{t}^{2}）$
則磁感應(yīng)強度與時間變化關(guān)系：$B=\frac{{B}_{0}s}{s+vt+\frac{1}{2}a{t}^{2}}=\frac{2}{2+2t+{t}^{2}}$．
答：（1）金屬棒與導(dǎo)軌間的動摩擦因數(shù)為0.5； 
（2）cd離NQ的距離2m；
（3）金屬棒滑行至cd處的過程中，電阻R上產(chǎn)生的熱量0.08J；
（4）若將金屬棒滑行至cd處的時刻記作t=0，從此時刻起，讓磁感應(yīng)強度逐漸減小，為使金屬棒中不產(chǎn)生感應(yīng)電流，則磁感應(yīng)強度B應(yīng)怎樣隨時間t變化為$B=\frac{2}{2+2t{+t}^{2}}$

點評 本題考查了牛頓運動定律、閉合電路毆姆定律，安培力公式、感應(yīng)電動勢公式，還有動能定理．同時當(dāng)金屬棒速度達到穩(wěn)定時，則一定是處于平衡狀態(tài)，原因是安培力受到速度約束的．還巧妙用磁通量的變化去求出面積從而算出棒的距離．最后線框的總磁通量不變時，金屬棒中不產(chǎn)生感應(yīng)電流是解題的突破點．