Question

15．如圖所示，處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的兩根足夠長(zhǎng)、電阻不計(jì)的平行金屬導(dǎo)軌相距1m，導(dǎo)軌平面與水平面成θ=37°角，下端連接阻值未知的電阻R．勻強(qiáng)磁場(chǎng)方向與導(dǎo)軌平面垂直．質(zhì)量為0.2kg、電阻不計(jì)的金屬棒放在兩導(dǎo)軌上，棒與導(dǎo)軌垂直并保持良好接觸，它們之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.25． 
（1）求金屬棒沿導(dǎo)軌由靜止開(kāi)始下滑時(shí)的加速度大小；
（2）當(dāng)金屬棒下滑速度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，電阻R消耗的功率為8W，求該穩(wěn)定速度的大小；
（3）在上問(wèn)中，若R=2Ω，金屬棒中的電流方向由a到b，求磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小與方向．（g取10m/s²，sin37°=0.6，cos37°=0.8）

Answer 1

分析 （1）開(kāi)始下滑時(shí)，速度為零，無(wú)感應(yīng)電流產(chǎn)生，因此不受安培力，故根據(jù)牛頓第二定律可直接求解結(jié)果．
（2）金屬棒下滑速度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，金屬棒所受合外力為零，根據(jù)平衡條件求出安培力，然后根據(jù)公式P=Fv求解．
（3）結(jié)合第（2）問(wèn)求出回路中的感應(yīng)電流，然后根據(jù)電功率的公式求解．

解答 解：（1）金屬棒開(kāi)始下滑的初速為零，根據(jù)牛頓第二定律：mgsinθ-μmgcosθ=ma ①
由①式解得a=10×（O.6-0.25×0.8）m/s²=4m/s²　　　　　　 ②
故金屬棒沿導(dǎo)軌由靜止開(kāi)始下滑時(shí)的加速度大小為4m/s²．
（2）設(shè)金屬棒運(yùn)動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，速度為v，所受安培力為F，棒在沿導(dǎo)軌方向受力平衡
mgsinθ一μmgcosθ一F=0　　　　　�、�
此時(shí)金屬棒克服安培力做功的功率等于電路中電阻R消耗的電功率：P=Fv　　 ④
由③、④兩式解得$v=\frac{P}{F}=\frac{8}{0.2×10×（0.6-0.25×0.8）}m/s=10m/s$ ⑤
故當(dāng)金屬棒下滑速度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，棒的速度大小為10m/s．
（3）設(shè)電路中電流為I，兩導(dǎo)軌間金屬棒的長(zhǎng)為l，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B　　$I=\frac{vBl}{R}$⑥
P=I²R　　　　　�、�
由⑥、⑦兩式解得：$B=\frac{{\sqrt{PR}}}{vl}=\frac{{\sqrt{8×2}}}{10×1}T=0.4T$⑧
磁場(chǎng)方向垂直導(dǎo)軌平面向上．
故磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為0.4T，方向垂直導(dǎo)軌平面向上．
答：（1）金屬棒沿導(dǎo)軌由靜止開(kāi)始下滑時(shí)的加速度大小為4m/s²；
（2）該穩(wěn)定速度的大小為10m/s；
（3）若R=2Ω，金屬棒中的電流方向由a到b，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為0.4T；方向垂直導(dǎo)軌平面向上

點(diǎn)評(píng) 本題考查導(dǎo)體切割磁感線的與受力及能量結(jié)合問(wèn)題，解這類問(wèn)題的突破口為正確分析安培力的變化，根據(jù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)列方程求解．