Question

【題目】間距為l=0.5m兩平行金屬導(dǎo)軌由傾斜部分和水平部分平滑連接而成，如圖所示，傾斜部分導(dǎo)軌的傾角θ=30°，上端連有阻值R=0.5Ω的定值電阻且傾斜導(dǎo)軌處于大小為B1=0.5T、方向垂直導(dǎo)軌平面向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中。水平部分導(dǎo)軌足夠長(zhǎng)，圖示矩形虛線(xiàn)框區(qū)域存在大小為B2=1T、方向豎直向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)區(qū)域的寬度d=3m�，F(xiàn)將質(zhì)量m=0.1kg、內(nèi)阻r=0.5Ω、長(zhǎng)l=0.5m的導(dǎo)體棒ab從傾斜導(dǎo)軌上端釋放，達(dá)到穩(wěn)定速度v0后進(jìn)入水平導(dǎo)軌，當(dāng)恰好穿過(guò)B2磁場(chǎng)時(shí)速度v=2m/s，已知導(dǎo)體棒穿過(guò)B2磁場(chǎng)的過(guò)程中速度變化量與在磁場(chǎng)中通過(guò)的距離滿(mǎn)足（比例系數(shù)k未知），運(yùn)動(dòng)過(guò)程中導(dǎo)體棒始終與導(dǎo)軌垂直并接觸良好，不計(jì)摩擦阻力和導(dǎo)軌電阻。求：

（1）導(dǎo)體棒ab的速度v0；

（2）導(dǎo)體棒ab穿過(guò)B2磁場(chǎng)過(guò)程中通過(guò)R的電荷量及導(dǎo)體棒ab產(chǎn)生的焦耳熱；

（3）若磁場(chǎng)B1大小可以調(diào)節(jié)，其他條件不變，為了使導(dǎo)體棒ab停留在B2磁場(chǎng)區(qū)域，B1需滿(mǎn)足什么條件。

Answer 1

【答案】（1）8m/s（2）1.5C;1.5J（3）

【解析】

（1）當(dāng)導(dǎo)體棒ab運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后做勻速運(yùn)動(dòng)，由平衡條件和安培力公式結(jié)合求解導(dǎo)體棒ab的速度v0；
（2）通過(guò)R的電荷量可根據(jù)電量與電流的關(guān)系、歐姆定律和法拉第電磁感應(yīng)定律結(jié)合求解。由能量守恒定律和能量分配關(guān)系求導(dǎo)體棒ab產(chǎn)生的焦耳熱；
（3）當(dāng)導(dǎo)體棒ab在B2磁場(chǎng)區(qū)域通過(guò)的位移x'＜d時(shí)棒ab將停留在B2磁場(chǎng)區(qū)域。根據(jù)題意求出k，從而得到導(dǎo)體棒ab以速度v′通過(guò)B2磁場(chǎng)時(shí)與在磁場(chǎng)中通過(guò)的距離x′滿(mǎn)足的關(guān)系，再結(jié)合導(dǎo)體棒ab在B1磁場(chǎng)中達(dá)到穩(wěn)定速度受力平衡列式求解。

（1）當(dāng)導(dǎo)體棒ab運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后，做勻速運(yùn)動(dòng)，由平衡條件知，

感應(yīng)電流

聯(lián)立得

（2）穿過(guò)B2磁場(chǎng)過(guò)程中的平均電流：

聯(lián)立得=1.5C

設(shè)穿過(guò)B2磁場(chǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的總焦耳熱為Q，則由能量守恒定律知

導(dǎo)體棒ab產(chǎn)生的焦耳熱

聯(lián)立得Q=1.5 J

（3）根據(jù)題意有， ，則若導(dǎo)體棒ab以速度v′通過(guò)B2磁場(chǎng)時(shí)與在磁場(chǎng)中通過(guò)的距離x′滿(mǎn)足

導(dǎo)體棒ab在B1磁場(chǎng)中達(dá)到穩(wěn)定速度時(shí)，由平衡條件知

又

聯(lián)立得

根據(jù)題意，

聯(lián)立以上二式并代入數(shù)據(jù)得。