(2011?河北模擬)如圖甲所示,足夠長(zhǎng)的光滑平行金屬導(dǎo)軌MN、PQ所在平面與水平面成30°角,兩導(dǎo)軌的間距l(xiāng)=0.50m,一端接有阻值R=1.0Ω的電阻.質(zhì)量m=0.10kg的金屬棒ab置于導(dǎo)軌上,與軌道垂直,電阻r=0.25Ω.整個(gè)裝置處于磁感應(yīng)強(qiáng)度B=1.0T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中,磁場(chǎng)方向垂直于導(dǎo)軌平面向下.t=0時(shí)刻,對(duì)金屬棒施加一平行于導(dǎo)軌向上的外力F,使之由靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)過(guò)程中電路中的電流隨時(shí)間t變化的關(guān)系如圖乙所示.電路中其他部分電阻忽略
不計(jì),g取10m/s2,求:
(1)4.0s末金屬棒ab瞬時(shí)速度的大小;
(2)3.0s末力F的瞬時(shí)功率;
(3)已知0~4.0s時(shí)間內(nèi)電阻R上產(chǎn)生的熱量為0.64J,試計(jì)算F對(duì)金屬棒所做的功
分析:(1)由導(dǎo)體棒切割磁感線(xiàn)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)公式求出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),由閉合電路的歐姆定律求出電路電流,由圖象求出4s末電路電流值,然后求出金屬棒的速度.
(2)根據(jù)感應(yīng)電流表達(dá)式及圖象判斷導(dǎo)體棒的運(yùn)動(dòng)性質(zhì),求出導(dǎo)體棒的加速度,由牛頓第二定律及安培力公式求出3s末導(dǎo)體棒的速度,然后由公式P=Fv求出力F的瞬時(shí)功率;
(3)由串聯(lián)電路特點(diǎn)及焦耳定律求出導(dǎo)體棒產(chǎn)生的熱量,求出整個(gè)電路產(chǎn)生的熱量,克服安培力做的功轉(zhuǎn)化為焦耳熱;然后由動(dòng)能定理求出力F對(duì)金屬棒做的功.
解答:解:(1)導(dǎo)體棒切割磁感線(xiàn)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì):E=Blv,
由閉合電路的歐姆定律可得,電路電流:I=
E
R+r
=
Blv
R+r

由圖乙可得:t=4.0s時(shí),I=0.8A,即:=
Blv
R+r
=0.8A,
解得:v=2m/s;
(2)由于B、l、R、r是定值,由I=
Blv
R+r
可知,I與v成正比,
由圖乙可知,電流I與時(shí)間t成正比,由此可知,速度v與時(shí)間t成正比,
由此可知,導(dǎo)體棒做初速度為零的勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng),
4.0s內(nèi)金屬棒的加速度a=
△v
△t
=
2m/s
4s
=0.5m/s2,
對(duì)金屬棒由牛頓第二定律得:F-mgsin30°-F=ma,
由圖乙所示圖象可知,t=3s時(shí)I=0.6A,此時(shí)F=BIl=1T×0.6A×0.5m=0.3N,
則3s末,拉力F=mgsin30°+F+ma=0.85N,
t=3s時(shí)I=0.6A,由I=
Blv
R+r
可知,t=3s時(shí),棒的速度v=1.5m/s,
3.0s末力F的瞬時(shí)功率P=Fv=0.85N×1.5m/s=1.275W;
(3)通過(guò)R與r的電流I相等,由焦耳定律得:
Qr
QR
=
I2rt
I2Rt
=
r
R
=
0.25Ω
=
1
4
,則Qr=
1
4
QR=
1
4
×0.64J=0.16J,
在該過(guò)程中電路中產(chǎn)生的總熱量為:Q=Qr+QR=0.8J,
在導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,克服安培力做的功轉(zhuǎn)化為焦耳熱,
因此在該過(guò)程中,安培力做的功W=-Q=-0.8J,
對(duì)金屬棒,在0~4.0s內(nèi),導(dǎo)體棒的位移:
x=
1
2
at2=
1
2
×0.5m/s2×(4s)2=4m,
重力做的功WG=-mgxsin30°=-0.1kg×10m/s2×4m×
1
2
=-2J,
t=4s時(shí),v=2m/s,由動(dòng)能定理得:
WF+W+WG=
1
2
mv2-0,
解得,F(xiàn)對(duì)金屬棒所做的功:WF=3.64J;
答:(1)4.0s末金屬棒ab瞬時(shí)速度的是2m/s.
(2)3.0s末力F的瞬時(shí)功率是1.275W.
(3)0~4.0s時(shí)間內(nèi)F對(duì)金屬棒所做的功是3.64J.
點(diǎn)評(píng):本題難度較大,是一道電磁感應(yīng)與電路、運(yùn)動(dòng)學(xué)相結(jié)合的綜合題,分析清楚棒的運(yùn)動(dòng)過(guò)程、由圖象找出某時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的電流、應(yīng)用相關(guān)知識(shí),是正確解題的關(guān)鍵.
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(1)求MN滑行到C、E兩點(diǎn)時(shí),C、D兩點(diǎn)電勢(shì)差的大小;
(2)推導(dǎo)MN在CDE上滑動(dòng)過(guò)程中,回路中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E與時(shí)間t的關(guān)系表達(dá)式;
(3)在運(yùn)動(dòng)學(xué)中我們學(xué)過(guò):通過(guò)物體運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間的關(guān)系圖線(xiàn)(v-t圖)可以求出物體運(yùn)動(dòng)的位移x,如圖乙中物體在0~t0時(shí)間內(nèi)的位移在數(shù)值上等于梯形Ov0Pt0的面積.通過(guò)類(lèi)比我們可以知道:如果畫(huà)出力與位移的關(guān)系圖線(xiàn)(F-x圖)也可以通過(guò)圖線(xiàn)求出力對(duì)物體所做的功.
  請(qǐng)你推導(dǎo)MN在CDE上滑動(dòng)過(guò)程中,MN所受安培力F與MN的位移x的關(guān)系表達(dá)式,并用F與x的關(guān)系圖線(xiàn)求出MN在CDE上整個(gè)滑行的過(guò)程中,MN和CDE構(gòu)成的回路所產(chǎn)生的焦耳熱.

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