Question

15．如圖所示，寬度為L(zhǎng)的足夠長(zhǎng)的平行金屬導(dǎo)軌固定在絕緣水平面上，導(dǎo)軌的兩端連接阻值R的電阻．導(dǎo)軌所在空間存在豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，一根質(zhì)量m的導(dǎo)體棒MN放在導(dǎo)軌上與導(dǎo)軌接觸良好，導(dǎo)體棒的有效電阻也為R，導(dǎo)體棒與導(dǎo)軌間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，設(shè)最大靜摩擦力等于滑動(dòng)摩擦力．導(dǎo)體棒MN的初始位置與導(dǎo)軌最左端距離為L(zhǎng)，導(dǎo)軌的電阻可忽略不計(jì)．
（1）若用一平行于導(dǎo)軌的恒定拉力F拉動(dòng)導(dǎo)體棒沿導(dǎo)軌向右運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中保持導(dǎo)體棒與導(dǎo)軌垂直，求導(dǎo)體棒最終的速度；
（2）若導(dǎo)體棒的初速度為v₀，導(dǎo)體棒向右運(yùn)動(dòng)L停止，求此過程導(dǎo)體棒中產(chǎn)生的焦耳熱；
（3）若磁場(chǎng)隨時(shí)間均勻變化，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=B₀+kt（k＞0），開始導(dǎo)體棒靜止，從t=0 時(shí)刻起，求導(dǎo)體棒經(jīng)過多長(zhǎng)時(shí)間開始運(yùn)動(dòng)以及運(yùn)動(dòng)的方向．

Answer 1

分析 （1）有法拉第電磁感應(yīng)定律E=BLv和歐姆定律I=$\frac{E}{R}$，結(jié)合F_安=BIL及牛頓第二定律求解．
（2）有能量守恒定律求解．
（3）有法拉第電磁感應(yīng)定律求得感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=BLv，再由歐姆定律求得電流I=$\frac{E}{R}$，導(dǎo)體棒開始運(yùn)動(dòng)棒所受安培力和摩擦力相等，再由右手定則判定電流方向，由左手定則判定運(yùn)動(dòng)的方向．

解答 解：（1）導(dǎo)體棒最終勻速運(yùn)動(dòng)，設(shè)最終速度為v，由法拉第電磁感應(yīng)定律得：E=BLv，歐姆定律得：$I=\frac{E}{2R}$，由牛頓第二定律：F=μmg+BIL，
解得：$v=\frac{2（F-μmg）R}{{{B^2}{L^2}}}$，
（2）由能量守恒定律得：$\frac{1}{2}m{v_0}^2=μmgL+Q$
回路中產(chǎn)生的總焦耳熱$Q=\frac{1}{2}m{v_0}^2-μmgL$，
根據(jù)串并聯(lián)電路特點(diǎn)，棒上焦耳熱和電阻上焦耳熱相等，
解得：${Q_棒}=\frac{1}{4}m{v_0}^2-\frac{1}{2}μmgL$
（3）磁感應(yīng)強(qiáng)度B=B₀+kt，由法拉第電磁感應(yīng)定律得：$E=\frac{△B}{△t}{L^2}=k{L^2}$，歐姆定律得：$I=\frac{E}{2R}$=$\frac{k{L}^{2}}{2R}$
導(dǎo)體棒恰好運(yùn)動(dòng)時(shí)，由牛頓第二定律（B₀+kt）IL=μmg，即：$（{B}_{0}+kt）\frac{k{L}^{2}}{2R}L=μmg$
解得：$t=\frac{2μmgR}{{{k^2}{L^3}}}-\frac{B_0}{k}$
由楞次定律得導(dǎo)體棒將向左運(yùn)動(dòng)      
答：（1）導(dǎo)體棒最終的速度為$\frac{2（F-μmg）R}{{B}^{2}{L}^{2}}$；
（2）此過程導(dǎo)體棒中產(chǎn)生的焦耳熱為$\frac{1}{4}m{v}_{0}^{2}-\frac{1}{2}μmgL$；
（3）導(dǎo)體棒經(jīng)過$\frac{2μmgR}{{K}^{2}{L}^{3}}-\frac{{B}_{0}}{K}$時(shí)間開始向左運(yùn)動(dòng)．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了求速度、時(shí)間、電阻產(chǎn)生的熱量，本題難度不大，應(yīng)用E=BLv、歐姆定律、安培力公式、牛頓第二定律即可正確解題．