Question

17．如圖所示，間距為L(zhǎng)、光滑足夠長(zhǎng)的金屬導(dǎo)軌傾斜放置（金屬導(dǎo)軌的電阻不計(jì)），導(dǎo)軌傾角為α，兩根長(zhǎng)度均為L(zhǎng)的金屬棒CD、PQ放在導(dǎo)軌上，已知CD棒的質(zhì)量為m、電阻為R，PQ棒的質(zhì)量為4m、電阻為2R．磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直于導(dǎo)軌所在平面向上，兩根勁度系數(shù)均為k、相同的彈簧一端固定在導(dǎo)軌的下端，另一端連著金屬棒CD．開(kāi)始時(shí)金屬棒CD靜止，現(xiàn)用一恒力平行于導(dǎo)軌所在平面向上拉金屬棒PQ，使金屬棒PQ由靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，當(dāng)金屬棒PQ達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，彈簧的形變量大小與開(kāi)始時(shí)相同，已知金屬棒PQ開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到穩(wěn)定的過(guò)程中通過(guò)CD棒的電量為q，此過(guò)程可以認(rèn)為CD棒緩慢地移動(dòng)，求此過(guò)程中：
（1）CD棒移動(dòng)的距離；
（2）恒力所做的功．

Answer 1

分析 （1）對(duì)CD進(jìn)行受力分析，根據(jù)胡克定律求出彈簧開(kāi)始的壓縮量，然后由幾何關(guān)系求CD移動(dòng)的距離；
（2）根據(jù)回路中通過(guò)的電量計(jì)算出PQ移動(dòng)的距離；根據(jù)平衡條件求出CD靜止時(shí)受到的安培力，求出PQ受到的拉力大小，然后根據(jù)W=Fs計(jì)算功．

解答 解：（1）開(kāi)始時(shí)彈簧的壓縮量為$△x=\frac{mgsinα}{2k}$，
穩(wěn)定后彈簧的伸長(zhǎng)量等于開(kāi)始的壓縮量，則CD移動(dòng)的距離x=2△x=$\frac{mgsinα}{k}$；
（2）設(shè)PQ穩(wěn)定時(shí)PQ桿移動(dòng)的距離為s
回路中通過(guò)的電量q=It=$\frac{△∅}{3R}=\frac{BL（s-x）}{3R}$，
解得：s=$\frac{3qR}{BL}+\frac{mgsinα}{k}$，
CD棒靜止，受到的安培力為F_A=mgsinα+2kx=2mgsinα，
PQ穩(wěn)定時(shí)，恒力為：F=F_A+4mgsinα=6mgsinα
恒力所做的功為：W=Fs=6mgsinα×（$\frac{3qR}{BL}+\frac{mgsinα}{k}$）=6mg（$\frac{3qR}{BL}+\frac{mgsinα}{k}$）sinα．
答：（1）CD棒移動(dòng)的距離為$\frac{mgsinα}{k}$；
（2）恒力所做的功為6mg（$\frac{3qR}{BL}+\frac{mgsinα}{k}$）sinα．

點(diǎn)評(píng) 對(duì)于電磁感應(yīng)問(wèn)題研究思路常常有兩條：一條從力的角度，重點(diǎn)是分析安培力作用下導(dǎo)體棒的平衡問(wèn)題，根據(jù)平衡條件列出方程；另一條是能量，分析涉及電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化問(wèn)題，根據(jù)動(dòng)能定理、功能關(guān)系等列方程求解．