Question

如圖所示，用單位長(zhǎng)度的電阻為r₀的均勻?qū)Ь�制作的矩形線框abcd的長(zhǎng)ad為2l、寬cd為l，固定在與水平面成θ角的斜面上，長(zhǎng)度大于l的導(dǎo)體棒MN平行于ab邊放置在矩形線框上緊靠ab邊的位置，導(dǎo)體棒質(zhì)量為m，電阻不計(jì)．將線框abcd分成相等的兩個(gè)區(qū)域Ⅰ、Ⅱ，在兩區(qū)域內(nèi)均加上垂直于斜面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，區(qū)域Ⅰ的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B₁，方向垂直于斜面向上，區(qū)域Ⅱ中磁場(chǎng)垂直于斜面向下．以a點(diǎn)為原點(diǎn)、ad方向?yàn)閤正方向取坐標(biāo)．
（1）導(dǎo)體棒MN下滑x1=

l

2

時(shí)速度為v₁，求此時(shí)導(dǎo)體棒MN的加速度a；
（2）當(dāng)導(dǎo)體棒下滑x₂=l還未進(jìn)入Ⅱ區(qū)的瞬間，加速度恰為零，求此時(shí)導(dǎo)體棒MN的速度v₂；
（3）若在區(qū)域Ⅱ所加磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小B₂=B₁，試判斷導(dǎo)體棒進(jìn)入?yún)^(qū)域Ⅱ后速度是增大、不變還是減小？若要保持導(dǎo)體棒的速度v₂不變，則B₂與x應(yīng)存在怎樣的關(guān)系？

Answer 1

分析：（1）對(duì)導(dǎo)體棒受力分析知，其受重力，支持力，安培力，三力作用下做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，列牛頓第二定律方程可解得加速度
（2）由牛頓第二定律，加速度為零，則安培力與重力沿斜面分力平衡，由此可得此時(shí)的速度
（3）由楞次定律和左手定則可知，安培力仍沿斜面向上，可以假設(shè)速度保持不變，由（2）的結(jié)果可得速度的表達(dá)式，進(jìn)而分析速度與變量x的關(guān)系，可確定速度的變化．若保持速度不變，由兩次得到的速度表達(dá)式相等，可得B₂與x的關(guān)系．

解答：解：（1）設(shè)導(dǎo)體棒MN下滑的距離為x，導(dǎo)體棒下滑時(shí)受三個(gè)力如圖所示，由牛頓第二定律得：mgsinθ-BIl=ma…①
I=

Blv

R

…②
線框abcd被導(dǎo)體棒MN分成并聯(lián)的兩部分，對(duì)MN兩端的總電阻為：R=

(l+2x)r0(5l-2x)r0

6lr0

=

(l+2x)(5l-2x)r0

6l

…③
將x1=

l

2

時(shí)速度為v₁代入得：a=gsinθ-

3 B 2 1 lv1

4mr0

…④
（2）當(dāng)導(dǎo)體棒的加速度為零時(shí)，由①得：I=

mgsinθ

Bl

…⑤
由②③代入x₂=l得：I=

6B1l2v2

(3l)2r0

…⑥
聯(lián)立⑤⑥得：v2=

3mgr0sinθ

2 B 2 1 l

…⑦
（3）假設(shè)導(dǎo)體棒以速度v₂勻速運(yùn)動(dòng)，雖然磁感應(yīng)強(qiáng)度方向與區(qū)域Ⅰ中相反，但由楞次定律和左手定則可知，安培力仍沿斜面向上，則：v2=

mgr0sinθ(l+2x)(5l-2x)

6 B 2 2 l3

…⑧
由于（l+2x）+（5l-2x）=6l為常量，因此當(dāng)x=l時(shí)（l+2x）（5l-2x）最大，而式中x＞l，因此當(dāng)x增大時(shí)（l+2x）（5l-2x）減小，若B₂=B₁不變，則速度一定減小，要保持速度不變，則由⑦⑧得：

3mgr0sinθ

2 B 2 1 l

=

mgr0sinθ(l+2x)(5l-2x)

6 B 2 2 l3

…⑨
解得：B2=

B1

3l

(l+2x)(5l-2x)

…⑩
答：（1）導(dǎo)體棒MN下滑x1=

l

2

時(shí)速度為v₁，求此時(shí)導(dǎo)體棒MN的加速度a=gsinθ-

3 B 2 1 lv1

4mr0

；
（2）當(dāng)導(dǎo)體棒下滑x₂=l還未進(jìn)入Ⅱ區(qū)的瞬間，加速度恰為零，此時(shí)導(dǎo)體棒MN的速度v2=

3mgr0sinθ

2 B 2 1 l

；
（3）若在區(qū)域Ⅱ所加磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小B₂=B₁，試判斷導(dǎo)體棒進(jìn)入?yún)^(qū)域Ⅱ后速度減小，若要保持導(dǎo)體棒的速度v₂不變，則B₂與x關(guān)系為：B2=

B1

3l

(l+2x)(5l-2x)

點(diǎn)評(píng)：本題比較綜合，要掌握好閉合電路歐姆定律，楞次定律，安培定則，另外要求數(shù)學(xué)分析能力比較強(qiáng)，是一個(gè)難度比較大的題目．適合提高技能的學(xué)生．