Question

如圖所示，固定的水平光滑金屬導(dǎo)軌，間距為L，左端接有阻值為R的電阻，處在方向豎直、磁感應(yīng)強度為B的勻強磁場中，質(zhì)量為m的導(dǎo)體棒與固定彈簧相連，放在導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌與導(dǎo)體棒的電阻均可忽略．初始時刻，彈簧恰處于自然長度，導(dǎo)體棒具有水平向右的初速度v₀．在沿導(dǎo)軌往復(fù)運動的過程中，導(dǎo)體棒始終與導(dǎo)軌垂直并保持良好接觸．
（1）求初始時刻導(dǎo)體棒受到的安培力．
（2）若導(dǎo)體棒從初始時刻到速度第一次為零時，彈簧的彈性勢能為E_p，則這一過程中安培力所做的功W₁和電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱Q₁分別為多少？導(dǎo)體棒往復(fù)運動，最終將靜止于何處？從導(dǎo)體棒開始運動直到最終靜止的過程中，電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱Q為多少？

Answer 1

分析：（1）由歐姆定律、安培力公式和感應(yīng)電動勢知識推導(dǎo)安培力．
（2）導(dǎo)體棒向右運動時，彈力和安培力對棒做功根據(jù)功能關(guān)系求出安培力所做的功W₁和電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱Q₁．運用能量轉(zhuǎn)化及平衡條件等求出電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱Q．

解答：解：（1）初始時刻棒中感應(yīng)電動勢：E=BLυ₀
棒中感應(yīng)電流：I=

E

R

作用于棒上的安培力：F=BIL
聯(lián)立得：F=

B2L2v0

R

，安培力方向水平向左
（2）設(shè)安培力做功為W₁．彈力做功為W_彈．
由動能定理得：W₁+W_彈=0-

1

2

m

v

2 0

又-W₁=Q₁，-W_彈=E_p
解得電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱為：Q₁=

1

2

mυ₀²-E_P
（3）由能量轉(zhuǎn)化及平衡條件等判斷：棒最終靜止于初始位置（彈簧原長處）
由能量轉(zhuǎn)化和守恒得：Q=

1

2

mυ₀²
答：（1）初始時刻導(dǎo)體棒受到的安培力大小為

B2L2v0

R

，方向水平向左；
（2）安培力所做的功W₁等于E_P-

1

2

mυ₀²，電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱Q₁等于

1

2

mυ₀²-E_P．導(dǎo)體棒往復(fù)運動，最終靜止于初始位置（彈簧原長處）．從導(dǎo)體棒開始運動直到最終靜止的過程中，電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱Q為

1

2

mυ₀²．

點評：弄清運動過程中能量如何轉(zhuǎn)化，并應(yīng)用能量轉(zhuǎn)化和守恒定律分析解決問題是此題關(guān)鍵．