Question

11．如圖所示，“＜”型光滑長(zhǎng)軌道固定在水平面內(nèi)，電阻不計(jì)．軌道中間存在垂直水平面向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B．一根質(zhì)量m．單位長(zhǎng)度電阻R₀的金屬桿，與軌道成30°位置放置在軌道上，從靜止起在水平拉力作用下從軌道的左端O點(diǎn)出發(fā)，向右做加速度大小為a的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)位移L，求：
（1）金屬桿前進(jìn)L過(guò)程中流過(guò)金屬桿的電量；
（2）已知金屬桿前進(jìn)L過(guò)程中水平拉力做功W，若改變水平拉力的大小，以2a大小的加速度重復(fù)上述前進(jìn)L的過(guò)程，水平拉力做功多少？
（3）若改用水平恒力F由靜止起從軌道的左端O點(diǎn)拉動(dòng)金屬桿，到金屬桿速度達(dá)到最大值v_m時(shí)產(chǎn)生熱量．（Fv_m已知量）

Answer 1

分析 （1）根據(jù)切割公式得到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，根據(jù)歐姆定律得到感應(yīng)電流的表達(dá)式，得到電流的平均值，從而求解電路；
（2）根據(jù)安培力公式、歐姆定律和切割公式得到安培力的表達(dá)式，根據(jù)動(dòng)能定理和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式分別列式后聯(lián)立求解；
（3）改用水平恒力F，導(dǎo)體棒做加速運(yùn)動(dòng)，最后是勻速運(yùn)動(dòng)，根據(jù)平衡條件、安培力公式、歐姆定律和切割公式列式后聯(lián)立求解得到最大速度，再根據(jù)動(dòng)能定理列式求解即可．

解答 解：（1）設(shè)該位移為x時(shí)，切割磁感線桿長(zhǎng)為l，由：E=Blv，R=lR₀，v=at，
則：I=$\frac{E}{R}=\frac{aB}{R_0}t$，得到I與t成正比關(guān)系．
由：x=$\frac{1}{2}a{t}^{2}$，Q=$\overline{I}t$，得到：Q=$\frac{Bx}{{R}_{0}}$．
（2）由動(dòng)能定理：${W_外}-{W_安}=\frac{1}{2}m{v^2}$，得加速度為a時(shí)，當(dāng)位移為L(zhǎng)時(shí)，
有W_安=W-ma•L，在加速度為2a時(shí)，與加速度為a時(shí)，位移為x，則桿長(zhǎng)為l，則：
${F_{安2a}}=B{I'_{2a}}l=\frac{{{B^2}l}}{{l{R_0}}}{v_{2a}}=\frac{{{B^2}l}}{R_0}\sqrt{4ax}$，${F_{安a}}=BI{′_a}l=\frac{{{B^2}l}}{{l{R_0}}}{v_a}=\frac{{{B^2}l}}{R_0}\sqrt{2ax}$．
當(dāng)位移量相等時(shí)，${F_{安2a}}=\sqrt{2}{F_{安a}}$，則有：總位移相等時(shí)${W'_安}=\sqrt{2}{W_安}=\sqrt{2}（W-maL）$；
由動(dòng)能定理：${W'_外}-{W_安}=\frac{1}{2}m{（v'）^2}$，則：${{W'}_外}=\sqrt{2}W+（2-\sqrt{2}）maL$．
（3）若外力為恒力，則當(dāng)速度達(dá)到最大時(shí)，加速度為零，則合力為零，即F_安=F，
又因?yàn)椋?{F_安}=2\sqrt{3}Bx\frac{{B{v_m}}}{R_0}$，得到：$\frac{{2\sqrt{3}{B^2}{v_m}}}{R_0}x=F$，則：$x=\frac{{F{R_0}}}{{2\sqrt{3}{B^2}{v_m}}}$；
由能量守恒可以得到：$Q=Fx-\frac{1}{2}mv_m^2=\frac{{{F^2}{R_0}}}{{2\sqrt{3}{B^2}{v_m}}}-\frac{1}{2}mv_m^2$．
答：（1）金屬桿前進(jìn)L過(guò)程中流過(guò)金屬桿的電量為$\frac{Bx}{{R}_{0}}$；
（2）已知金屬桿前進(jìn)L過(guò)程中水平拉力做功W，若改變水平拉力的大小，以2a大小的加速度重復(fù)上述前進(jìn)L的過(guò)程，水平拉力做功$\sqrt{2}W+（2-\sqrt{2}）maL$；
（3）若改用水平恒力F由靜止起從軌道的左端O點(diǎn)拉動(dòng)金屬桿，到金屬桿速度達(dá)到最大值v_m時(shí)產(chǎn)生熱量為$Fx-\frac{1}{2}m{v}_{m}^{2}=\frac{{F}^{2}{R}_{0}}{2\sqrt{3}{B}^{2}{v}_{m}}-\frac{1}{2}m{v}_{m}^{2}$．

點(diǎn)評(píng) 本題關(guān)鍵是明確導(dǎo)體棒的受力情況與運(yùn)動(dòng)情況，能夠結(jié)合動(dòng)能定理、安培力公式、法拉第電磁感應(yīng)定律多次列式求解，不太難．