Question

如圖所示，固定的豎直光滑金屬導(dǎo)軌間距為L，上端接有阻值為R的電阻，處在方向水平、垂直導(dǎo)軌平面向里的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場中，質(zhì)量為m的導(dǎo)體棒與下端固定的豎直輕質(zhì)彈簧相連且始終保持與導(dǎo)軌接觸良好，導(dǎo)軌與導(dǎo)體棒的電阻均可忽略，彈簧的勁度系數(shù)為k．初始時(shí)刻，彈簧恰好處于自然長度，使導(dǎo)體棒以初動(dòng)能E_k沿導(dǎo)軌豎直向下運(yùn)動(dòng)，且導(dǎo)體棒在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中，始終與導(dǎo)軌垂直．
（1）求初始時(shí)刻導(dǎo)體棒所受安培力的大小F；
（2）導(dǎo)體棒往復(fù)運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后，最終將靜止．設(shè)靜止時(shí)彈簧的彈性勢能為E_p，則從初始時(shí)刻到最終導(dǎo)體棒靜止的過程中，電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱Q為多少？

Answer 1

【答案】分析：（1）由初動(dòng)能E_k=求出初速度，由E=BLv、I=、F=BIL，求出安培力的大小．
（2）導(dǎo)體棒最終靜止時(shí)，彈簧的彈力與之重力平衡，可求出彈簧的壓縮量，即導(dǎo)體棒下降的高度．從初始時(shí)刻到最終導(dǎo)體棒靜止的過程中，導(dǎo)體棒的重力勢能和動(dòng)能減小轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢能和內(nèi)能，根據(jù)能量守恒定律求解電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱Q．
解答：解：（1）設(shè)導(dǎo)體棒的初速度為v，由動(dòng)能的定義式
    E_k= 得 
設(shè)初始時(shí)刻產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢為E，由法拉第電磁感應(yīng)定律得：
     E=BLv
設(shè)初始時(shí)刻回路中產(chǎn)生的電流為I，由閉合電路的歐姆定律得：
   I=
設(shè)初始時(shí)刻導(dǎo)體棒受到的安培力為F，由安培力公式得：F=BIL
聯(lián)立上式得，F(xiàn)=
（2）從初始時(shí)刻到最終導(dǎo)體棒靜止的過程中，導(dǎo)體棒減少的機(jī)械能一部分轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢能，另一部分通過克服安培力做功轉(zhuǎn)化為電路中的電能，因在電路中只有電阻，電能最終全部轉(zhuǎn)化為電阻上產(chǎn)生的焦耳熱Q．
當(dāng)導(dǎo)體棒靜止時(shí)，棒受力平衡，此時(shí)導(dǎo)體棒的位置比初始時(shí)刻降低了h，
則   mg=kh，得h=
由能的轉(zhuǎn)化和守恒定律得：mgh+E_k=E_P+Q
 解得 Q=
答：
（1）初始時(shí)刻導(dǎo)體棒所受安培力的大小F為；
（2）從初始時(shí)刻到最終導(dǎo)體棒靜止的過程中，電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱Q為．
點(diǎn)評：本題中安培力的經(jīng)驗(yàn)公式F=，可以由感應(yīng)電動(dòng)勢、歐姆定律、安培力三個(gè)公式結(jié)合推導(dǎo)出來，要加強(qiáng)記憶，有助于分析和計(jì)算．