Question

如圖所示，PQMN與CDEF為兩根足夠長的固定平行金屬導(dǎo)軌，導(dǎo)軌間距為L．PQ、MN、CD、EF為相同的弧形導(dǎo)軌；QM、DE為足夠長的水平導(dǎo)軌．導(dǎo)軌的水平部分QM和DE處于豎直向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B．a(chǎn)、b為材料相同、長都為L的導(dǎo)體棒，跨接在導(dǎo)軌上．已知a棒的質(zhì)量為m、電阻為R，a棒的橫截面是b的3倍．金屬棒a和b都從距水平面高度為h的弧形導(dǎo)軌上由靜止釋放，分別通過DQ、EM同時(shí)進(jìn)入勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，a、b棒在水平導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)相碰．若金屬棒a、b與導(dǎo)軌接觸良好，且不計(jì)導(dǎo)軌的電阻和棒與導(dǎo)軌的摩擦．
（1）金屬棒a、b剛進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)，回路中感應(yīng)電流的方向如何？
（2）通過分析計(jì)算說明，從金屬棒a、b進(jìn)入磁場(chǎng)至某金屬第一次離開磁場(chǎng)的過程中，電路中產(chǎn)生的焦耳熱．

Answer 1

分析：（1）根據(jù)楞次定律判斷回路中感應(yīng)電流的方向．
（2）分析兩金屬棒的運(yùn)動(dòng)情況：金屬棒a、b同時(shí)進(jìn)入磁場(chǎng)區(qū)域后，產(chǎn)生感應(yīng)電流，受到安培力作用，速度都將發(fā)生變化，當(dāng)a、b棒速度相同時(shí)，回路中磁通量不發(fā)生變化，不產(chǎn)生感應(yīng)電流，不受安培力作用，金屬棒a、b將共同勻速運(yùn)動(dòng)．a(chǎn)、b棒在水平方向所受合外力為零，類似于非彈性碰撞，根據(jù)動(dòng)量守恒定律求出共同速度，由能量守恒求焦耳熱．

解答：解：（1）根據(jù)楞次定律可判斷出，金屬棒a、b剛進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)，回路中感應(yīng)電流的方向?yàn)椋篞DEMQ．　
（2）金屬棒從弧形軌道滑下，機(jī)械能守恒得：
由：mgh=

1

2

mv12
解出：v1=

2gh

金屬棒a、b同時(shí)進(jìn)入磁場(chǎng)區(qū)域后，產(chǎn)生感應(yīng)電流，受到安培力作用，速度發(fā)生變化，當(dāng)a、b棒同速時(shí)，回路中磁通量不發(fā)生變化，則不產(chǎn)生感應(yīng)電流，不受安培力作用，金屬棒a、b將共同勻速運(yùn)動(dòng)．　
由于a、b棒在水平方向所受合外力為零，故動(dòng)量守恒，且由題可知：m_a=3m_b
有：m_av₁-m_bv₁=（m_a+m_b）v₂
解得：v2=

1

2

2gh

方向：水平向右．
所以金屬棒a、b將以速度v₂勻速運(yùn)動(dòng)．　　
從金屬棒a、b進(jìn)入磁場(chǎng)開始，到金屬棒b第一次離開磁場(chǎng)的過程中，系統(tǒng)總能量守恒，由：
  (ma+mb)gh=

1

2

(ma+mb)v22+Q
解出此過程中電路中產(chǎn)生的焦耳熱：Q=mgh　
答：
（1）金屬棒a、b剛進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)，回路中感應(yīng)電流的方向?yàn)椋篞DEMQ．
（2）電路中產(chǎn)生的焦耳熱為mgh．

點(diǎn)評(píng)：該題考查了多個(gè)知識(shí)點(diǎn)的綜合運(yùn)用．做這類問題我們還是應(yīng)該從運(yùn)動(dòng)過程和受力分析入手研究，運(yùn)用一些物理規(guī)律求解問題．能量的轉(zhuǎn)化與守恒的應(yīng)用非常廣泛，我們應(yīng)該首先考慮．