Question

【題目】如圖所示，處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的兩根足夠長(zhǎng)、電阻不計(jì)的平行金屬導(dǎo)軌相距1.0m，導(dǎo)軌平面與水平面成θ=37°角，下端連接阻值為R的電阻．勻強(qiáng)磁場(chǎng)方向與導(dǎo)軌平面垂直．質(zhì)量為0.20kg，電阻不計(jì)的金屬棒放在兩導(dǎo)軌上，棒與導(dǎo)軌垂直并保持良好接觸，它們之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.25．

（1）求金屬棒沿導(dǎo)軌由靜止開(kāi)始下滑時(shí)的加速度大小；
（2）當(dāng)金屬棒下滑速度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，電阻R消耗的功率為8.0W，求該速度的大小；
（3）在上問(wèn)中，若R=2.0Ω，金屬棒中的電流方向由a到b，求磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小和方向．（g=10m/s2 ， sin37°=0.60，cos37°=0.80）

Answer 1

【答案】
（1）解：金屬棒開(kāi)始下滑的初速為零，根據(jù)牛頓第二定律：mgsinθ﹣μmgcosθ=ma ①

由①式解得a=10×（O.6﹣0.25×0.8）m/s2=4m/s2 ②

故金屬棒沿導(dǎo)軌由靜止開(kāi)始下滑時(shí)的加速度大小為4m/s2．

答：金屬棒沿導(dǎo)軌由靜止開(kāi)始下滑時(shí)的加速度大小為4m/s2；

（2）解：設(shè)金屬棒運(yùn)動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，速度為v，所受安培力為F，棒在沿導(dǎo)軌方向受力平衡

mgsinθ一μmgcosθ一F=0 ③

此時(shí)金屬棒克服安培力做功的功率等于電路中電阻R消耗的電功率：P=Fv ④

由③、④兩式解得 ⑤

故當(dāng)金屬棒下滑速度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，棒的速度大小為10m/s．

答：當(dāng)金屬棒下滑速度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，電阻R消耗的功率為8.0W，該速度的大小為10m/s；

（3）解：設(shè)電路中電流為I，兩導(dǎo)軌間金屬棒的長(zhǎng)為l，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B ⑥

P=I2R ⑦

由⑥、⑦兩式解得： ⑧

磁場(chǎng)方向垂直導(dǎo)軌平面向上．

故磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為0.4T，方向垂直導(dǎo)軌平面向上．

答：在上問(wèn)中，若R=2.0Ω，金屬棒中的電流方向由a到b，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為0.4T；方向垂直于斜面向上．

【解析】（1）開(kāi)始下滑時(shí)，速度為零，無(wú)感應(yīng)電流產(chǎn)生，因此不受安培力，故根據(jù)牛頓第二定律可直接求解結(jié)果．（2）金屬棒下滑速度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，金屬棒所受合外力為零，根據(jù)平衡條件求出安培力，然后根據(jù)公式P=Fv求解．（3）結(jié)合第（2）問(wèn)求出回路中的感應(yīng)電流，然后根據(jù)電功率的公式求解．