Question

如圖甲所示，光滑且足夠長的平行金屬導(dǎo)軌MN、PQ固定在同一水平面上，兩導(dǎo)軌間距L=0.30m.導(dǎo)軌電阻忽略不計，其間連接有固定電阻R=0.40Ω.導(dǎo)軌上停放一質(zhì)量m=0.10kg、電阻r=0.20Ω的金屬桿ab，整個裝置處于磁感應(yīng)強度B=0.50T的勻強磁場中，磁場方向豎直向下.用一外力F沿水平方向拉金屬桿ab，使之由靜止開始運動，電壓傳感器可將R兩端的電壓U即時采集并輸入電腦，獲得電壓U隨時間t變化的關(guān)系如圖乙所示.

（1）試證明金屬桿做勻加速直線運動，并計算加速度的大小；

（2）求第2s末外力F的瞬時功率；

（3）如果水平外力從靜止開始拉動桿2s所做的功W=0.35J，求金屬桿上產(chǎn)生的焦耳熱.

Answer 1

解：（1）設(shè)路端電壓為U，金屬桿的運動速度為v，則感應(yīng)電動勢：E = BLv，

通過電阻R的電流：

電阻R兩端的電壓：U= 

由圖乙可得： U=kt，k=0.10V/s

解得：

因為速度與時間成正比，所以金屬桿做勻加速運動，加速度：

（2）在2s末，速度：v₂=at=2.0m/s，電動勢：E=BLv₂，

通過金屬桿的電流：

金屬桿受安培力： 

解得：F_安=7.5×10^-2N

設(shè)2s末外力大小為F₂，由牛頓第二定律：  ，

解得：F₂=1.75×10^-1N          

故2s末時F的瞬時功率 P=F₂v₂=0.35W                                      

(3) 設(shè)回路產(chǎn)生的焦耳熱為Q，

由能量守恒定律：W =Q＋

解得：Q=0.15J                          

電阻R與金屬桿的電阻r串聯(lián)，產(chǎn)生焦耳熱與電阻成正比所以， ，

運用合比定理，，而

故在金屬桿上產(chǎn)生的焦耳熱： 

解得：Q_r=5.0×10^-2J