Question

如圖所示，在同一平面內(nèi)放置的三條光滑平行足夠長金屬導(dǎo)軌a、b、c構(gòu)成一個(gè)斜面，此斜面與水平面的夾角θ=30°，金屬導(dǎo)軌相距均為d=1m，導(dǎo)軌ac間橫跨一質(zhì)量為m=0.8kg的金屬棒MN，棒與每根導(dǎo)軌始終良好接觸，棒的電阻r=1Ω，導(dǎo)軌的電阻忽略不計(jì)．在導(dǎo)軌bc間接一電阻恒為R=2Ω的燈泡，導(dǎo)軌ac間接一電壓傳感器（相當(dāng)于理想電壓表）．整個(gè)裝置放在磁感應(yīng)強(qiáng)度B=2T的勻強(qiáng)磁場中，磁場方向垂直導(dǎo)軌平面向上．現(xiàn)對棒MN施加一沿斜面向下的拉力F使棒從靜止開始運(yùn)動(dòng)，g取10m/s²．試求：（1）若施加的恒力F=2N，則金屬棒達(dá)到穩(wěn)定時(shí)速度為多少？（2）若施加的外力功率恒定，棒達(dá)到穩(wěn)定時(shí)速度為4m/s，則此時(shí)外力的功率和電壓傳感器的讀數(shù)分別為多少？（3）若施加的外力功率恒為P，經(jīng)歷時(shí)間為t，棒沿斜面軌道下滑距離為s、速度達(dá)到v₃，則此過程中燈泡產(chǎn)生的熱量為多少？

Answer 1

【答案】分析：（1）金屬棒達(dá)到穩(wěn)定時(shí)速度時(shí)做勻速直線運(yùn)動(dòng)，合力為零．由歐姆定律、感應(yīng)電動(dòng)勢和安培力公式推導(dǎo)出安培力與速度的關(guān)系，根據(jù)平衡條件即可求出金屬棒達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的速度．
（2）若施加的外力功率恒定，棒達(dá)到穩(wěn)定時(shí)速度為4m/s，由感應(yīng)電動(dòng)勢公式和歐姆定律求出此時(shí)的感應(yīng)電流，根據(jù)平衡條件求出外力的功率．由歐姆定律求出電壓電壓傳感器的讀數(shù)．
（3）棒沿斜面軌道下滑距離為s，棒的重力勢能減小，外力F做功提供能量Pt，轉(zhuǎn)化為燈泡和金屬棒的內(nèi)能以及金屬棒的動(dòng)能，根據(jù)能量守恒定律列式可求出燈泡產(chǎn)生的熱量．
解答：解：（1）設(shè)穩(wěn)定時(shí)速度為v₁，當(dāng)金屬棒速度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，合力F_合=0，即有
    F+mgsinθ-F_A=0
又金屬棒所受的安培力大小F_A=BId，I=
聯(lián)立得 v₁=
代入解得，v₁=3.75m/s
（2）若施加的外力功率恒定，棒達(dá)到穩(wěn)定時(shí)速度為4m/s，此時(shí)電路中電流為 I₂==A=3.2A
外力的大小為F_外=，根據(jù)平衡條件則有
   +mgsinθ=BI₂d
代入解得，P=9.6W
燈泡兩端的電壓為U_L=I₂R=3.2×2V=6.4V，故電壓傳感器的讀數(shù)為U=U_L+Bdv₂=14.4V
（3）設(shè)此過程中燈泡和金屬桿產(chǎn)生的熱量分別為Q₁和Q₂．根據(jù)能量守恒定律得
  Pt+mgsinθ=Q₁+Q₂+
由于通過燈泡和金屬桿的電流時(shí)刻相等，根據(jù)焦耳定律Q=I²Rt知，兩者產(chǎn)生的熱量與電阻成正比，則有
   Q₁：Q₂=R：=4：1
則解得，Q₁=
答：（1）若施加的恒力F=2N，則金屬棒達(dá)到穩(wěn)定時(shí)速度為3.75m/s；
（2）若施加的外力功率恒定，棒達(dá)到穩(wěn)定時(shí)速度為4m/s，外力的功率和電壓傳感器的讀數(shù)分別為9.6W和14.4V．
（3）此過程中燈泡產(chǎn)生的熱量為．
點(diǎn)評：本題是電磁感應(yīng)、電路和力學(xué)知識的綜合，分別從力和能量兩個(gè)角度進(jìn)行研究．第3問要焦耳定律分析燈泡和金屬棒的熱量關(guān)系．