Question

如圖甲所示，足夠長的光滑平行金屬導(dǎo)軌MN、PQ所在平面與水平面成30°角，兩導(dǎo)軌的間距l(xiāng)=0.50m，一端接有阻值R=1.0Ω的電阻．質(zhì)量m=0.10kg的金屬棒ab置于導(dǎo)軌上，與軌道垂直，電阻r=0.25Ω．整個裝置處于磁感應(yīng)強(qiáng)度B=1.0T的勻強(qiáng)磁場中，磁場方向垂直于導(dǎo)軌平面向下．t=0時刻，對金屬棒施加一平行于導(dǎo)軌向上的外力F，使之由靜止開始運(yùn)動，運(yùn)動過程中電路中的電流隨時間t變化的關(guān)系如圖乙所示．電路中其他部分電阻忽略
不計，g取10m/s²，求：
（1）4.0s末金屬棒ab瞬時速度的大小；
（2）3.0s末力F的瞬時功率；
（3）已知0～4.0s時間內(nèi)電阻R上產(chǎn)生的熱量為0.64J，試計算F對金屬棒所做的功

Answer 1

【答案】分析：（1）由導(dǎo)體棒切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢公式求出感應(yīng)電動勢，由閉合電路的歐姆定律求出電路電流，由圖象求出4s末電路電流值，然后求出金屬棒的速度．
（2）根據(jù)感應(yīng)電流表達(dá)式及圖象判斷導(dǎo)體棒的運(yùn)動性質(zhì)，求出導(dǎo)體棒的加速度，由牛頓第二定律及安培力公式求出3s末導(dǎo)體棒的速度，然后由公式P=Fv求出力F的瞬時功率；
（3）由串聯(lián)電路特點(diǎn)及焦耳定律求出導(dǎo)體棒產(chǎn)生的熱量，求出整個電路產(chǎn)生的熱量，克服安培力做的功轉(zhuǎn)化為焦耳熱；然后由動能定理求出力F對金屬棒做的功．
解答：解：（1）導(dǎo)體棒切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢：E=Blv，
由閉合電路的歐姆定律可得，電路電流：I==，
由圖乙可得：t=4.0s時，I=0.8A，即：==0.8A，
解得：v=2m/s；
（2）由于B、l、R、r是定值，由I=可知，I與v成正比，
由圖乙可知，電流I與時間t成正比，由此可知，速度v與時間t成正比，
由此可知，導(dǎo)體棒做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動，
4.0s內(nèi)金屬棒的加速度a===0.5m/s²，
對金屬棒由牛頓第二定律得：F-mgsin30°-F_安=ma，
由圖乙所示圖象可知，t=3s時I=0.6A，此時F_安=BIl=1T×0.6A×0.5m=0.3N，
則3s末，拉力F=mgsin30°+F_安+ma=0.85N，
t=3s時I=0.6A，由I=可知，t=3s時，棒的速度v=1.5m/s，
3.0s末力F的瞬時功率P=Fv=0.85N×1.5m/s=1.275W；
（3）通過R與r的電流I相等，由焦耳定律得：
====，則Q_r=Q_R=×0.64J=0.16J，
在該過程中電路中產(chǎn)生的總熱量為：Q_總=Q_r+Q_R=0.8J，
在導(dǎo)體棒運(yùn)動的過程中，克服安培力做的功轉(zhuǎn)化為焦耳熱，
因此在該過程中，安培力做的功W_安=-Q_總=-0.8J，
對金屬棒，在0～4.0s內(nèi)，導(dǎo)體棒的位移：
x=at²=×0.5m/s²×（4s）²=4m，
重力做的功W_G=-mgxsin30°=-0.1kg×10m/s²×4m×=-2J，
t=4s時，v=2m/s，由動能定理得：
W_F+W_安+W_G=mv²-0，
解得，F(xiàn)對金屬棒所做的功：W_F=3.64J；
答：（1）4.0s末金屬棒ab瞬時速度的是2m/s．
（2）3.0s末力F的瞬時功率是1.275W．
（3）0～4.0s時間內(nèi)F對金屬棒所做的功是3.64J．
點(diǎn)評：本題難度較大，是一道電磁感應(yīng)與電路、運(yùn)動學(xué)相結(jié)合的綜合題，分析清楚棒的運(yùn)動過程、由圖象找出某時刻所對應(yīng)的電流、應(yīng)用相關(guān)知識，是正確解題的關(guān)鍵．