Question

如圖甲所示，兩根足夠長，電阻不計(jì)的光滑平行金屬導(dǎo)軌相距為L₁=1m，導(dǎo)軌平面與水平面成θ=30°角，上端連接阻值R=1.5Ω的電阻；質(zhì)量為m=0.2kg，阻值r=0.5Ω的金屬棒ab放在兩導(dǎo)軌上，距離導(dǎo)軌最上端為L₂=4m，棒與導(dǎo)軌垂直并保持良好接觸，整個(gè)裝置處于一勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，該勻強(qiáng)磁場(chǎng)方向與導(dǎo)軌平面垂直，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小隨時(shí)間變化的情況如圖乙所示，為保持ab棒靜止，在棒上施加了一平行于導(dǎo)軌平面的外力F，g=10m/s²求：
（1）當(dāng)t=1s時(shí)，外力F的大小和方向；
（2）4s后，撤去外力F，金屬棒將由靜止開始下滑，這時(shí)用電壓傳感器將R兩端的電壓即時(shí)采集并輸入計(jì)算機(jī)，在顯示器顯示的電壓達(dá)到某一恒定值后，記下該時(shí)刻棒的位置，測(cè)出該位置與棒初始位置相距207.90cm，求棒下滑該距離過程中電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱．

Answer 1

分析：（1）根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律求出0～3s內(nèi)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，再根據(jù)閉合電路歐姆定律求出電流，從而求出安培力，利用棒子的平衡求出外力F的大小和方向．
（2）導(dǎo)體棒由靜止下滑，受重力、支持力、安培力，當(dāng)下滑的加速度減小為0時(shí)，速度穩(wěn)定，電壓也穩(wěn)定，根據(jù)平衡求出此時(shí)的速度，再根據(jù)能量守恒求出總熱量，根據(jù)電流時(shí)刻相同，QR=

R

R+r

Q總．

解答：解：（1）0～3s內(nèi)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律：
E=

△φ

△t

=

△B

△t

L1L2=2V
  由閉合電路歐姆定律得：
I=

E

R+r

t=1s時(shí)，F(xiàn)_安=BIL₁=0.5N
對(duì)ab棒受力分析，由平衡條件：
F+mgsin30°-F_安=0
F=-0.5N
所以外力F的大小為0.5N，方向沿導(dǎo)軌斜面向上．
（2）棒沿導(dǎo)軌下滑切割磁感線，有
E′=B′L₁v
I′=

E′

R+r

下滑穩(wěn)定時(shí)mgsin30°=B′I′L₁=

B′2L12v

R+r

v=

8

9

m/s
由能量守恒得mgSsin30°=

1

2

mv2+Q總
又QR=

R

R+r

Q總
所以Q_R=1.5J．

點(diǎn)評(píng)：解決本題的關(guān)鍵掌握法拉第電磁感應(yīng)定律E=n

△φ

△t

=n

△B

△t

S，以及導(dǎo)體棒切割產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=BLv．