Question

(18分)如圖所示，兩條平行的光滑金屬導(dǎo)軌固定在傾角為θ的絕緣斜面上，導(dǎo)軌上端連接一個(gè)定值電阻。導(dǎo)體棒a和b放在導(dǎo)軌上，與導(dǎo)軌垂直并良好接觸。斜面上水平虛線PQ以下區(qū)域內(nèi)，存在著垂直穿過(guò)斜面向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。現(xiàn)對(duì)a棒施以平行導(dǎo)軌斜向上的拉力，使它沿導(dǎo)軌勻速向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)放在導(dǎo)軌下端的b棒恰好靜止。當(dāng)a棒運(yùn)動(dòng)到磁場(chǎng)的上邊界PQ處時(shí)，撤去拉力， a棒將繼續(xù)沿導(dǎo)軌向上運(yùn)動(dòng)一小段距離后再向下滑動(dòng)，此時(shí)b棒已滑離導(dǎo)軌。當(dāng)a棒再次滑回到磁場(chǎng)上邊界PQ處時(shí)，又恰能沿導(dǎo)軌勻速向下運(yùn)動(dòng)。已知a棒、b棒和定值電阻的阻值均為R，b棒的質(zhì)量為m，重力加速度為g， 導(dǎo)軌電阻不計(jì)。求

（1）a棒在磁場(chǎng)中沿導(dǎo)軌向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，a棒中的電流大小Ia與定值電阻R中的電流大小IR之比；

（2）a棒質(zhì)量ma；

（3）a棒在磁場(chǎng)中沿導(dǎo)軌向上運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的拉力F。

Answer 1

(1) 2∶1 (2) 1.5m (3) 3.5mg sin θ

【解析】

試題分析：(1) a棒沿導(dǎo)軌向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，a棒、b棒及電阻R中的電流分別為Ia、Ib、IR，有

IRR=IbRb① Ia=IR+Ib② 由①②解得=③

(2) 由于a棒在PQ上方滑動(dòng)過(guò)程中機(jī)械能守恒，因而a棒在磁場(chǎng)中向上滑動(dòng)的速度大小v1與在磁場(chǎng)中向下滑動(dòng)的速度大小v2相等，即v1=v2=v④

設(shè)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，導(dǎo)體棒長(zhǎng)為L(zhǎng)。a棒在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

E=BLv⑤ Ib=×=⑥ IbLB=mg sin θ⑦

當(dāng)a棒向下勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)a棒中的電流為Ia'，則 Ia' =⑧ Ia' LB=mag sin θ⑨

由⑥⑦⑧⑨解得ma=m

(3) 由題知導(dǎo)體棒a沿斜面向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，所受拉力 F=IaLB+mag sin θ

聯(lián)立上列各式解得F=mg sin θ

考點(diǎn)：本題考查電磁感應(yīng)及功能關(guān)系。