Question

17．如圖所示，電阻不計(jì)的兩光滑金屬導(dǎo)軌相距L，放在水平絕緣桌面上，半徑為R的$\frac{1}{4}$圓弧部分處在豎直平面內(nèi)，水平直導(dǎo)軌部分處在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，方向豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，末端與桌面邊緣平齊．兩金屬棒ab、cd垂直于兩導(dǎo)軌且與導(dǎo)軌接觸良好．棒ab質(zhì)量為2m，電阻為r，棒cd的質(zhì)量為m，電阻為r．重力加速度為g．開始時(shí)棒cd靜止在水平直導(dǎo)軌上，棒ab從圓弧頂端無初速度釋放，進(jìn)入水平直導(dǎo)軌后與棒cd始終沒有接觸并一直向右運(yùn)動(dòng)，最后兩棒都離開導(dǎo)軌落到地面上．棒ab與棒cd落地點(diǎn)到桌面邊緣的水平距離之比為2：1．求：
（1）棒cd在水平導(dǎo)軌上的最大加速度；
（2）棒ab和棒cd離開導(dǎo)軌時(shí)的速度大�。�
（3）兩棒在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的焦耳熱，
（4）從棒cd開始運(yùn)動(dòng)到離開桌面過程中，流過棒CD的電荷量．

Answer 1

分析 （1）ab棒剛進(jìn)入水平導(dǎo)軌時(shí)，cd棒受到的安培力最大，此時(shí)它的加速度最大．根據(jù)ab棒從圓弧導(dǎo)軌滑下機(jī)械能定恒求解進(jìn)入磁場(chǎng)之前的速度大小，由E=BLv、I=$\frac{E}{2r}$、F=BIL結(jié)合求出安培力，即可由牛頓第二定律求解最大加速度．
（2）ab棒與cd棒在水平導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，根據(jù)動(dòng)量定恒和兩棒離開導(dǎo)軌做平拋運(yùn)動(dòng)的時(shí)間相等求出棒ab和棒cd離開導(dǎo)軌時(shí)的速度大�。�
（3）根據(jù)能量定恒求解兩棒在軌道上運(yùn)動(dòng)過程產(chǎn)生的焦耳熱．
（4）對(duì)cd棒，運(yùn)用動(dòng)量定理求解電荷量．

解答 解：（1）ab棒剛進(jìn)入水平導(dǎo)軌時(shí)，cd棒受到的安培力最大，此時(shí)它的加速度最大．
設(shè)ab棒進(jìn)入水平導(dǎo)軌的速度為v₁，ab棒從圓弧導(dǎo)軌滑下機(jī)械能定恒：
  2mgR=$\frac{1}{2}$×2mv₁²
解得：v₁=$\sqrt{2gR}$ ①
ab棒剛進(jìn)入水平導(dǎo)軌時(shí)，設(shè)此時(shí)回路的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為E，
 E=BLv ③
 I=$\frac{E}{2r}$ ④
cd棒受到的安培力為：F_cd=BIL ⑤
根據(jù)牛頓第二定律，cd棒有最大加速度為
 a=$\frac{{F}_{cd}}{m}$ ⑥
聯(lián)立①～⑥解得：a=$\frac{{B}^{2}{L}^{2}\sqrt{2gR}}{2mr}$ ⑦
（2）離開導(dǎo)軌時(shí)，設(shè)ab棒的速度為v₁′，cd棒的速度為v₂′，ab棒與cd棒在水平導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，取向右為正方向，根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)量定恒得：
   2mv₁=2mv₁′+mv₂′⑧
依題意v₁′＞v₂′，⑨
兩棒離開導(dǎo)軌做平拋運(yùn)動(dòng)的時(shí)間相等，
由平拋運(yùn)動(dòng)水平位移x=vt可知 v₁′：v₂′=x₁：x₂=2：1
解得，v₁′=2v₂′，⑩
解得 v₁′=$\frac{4\sqrt{2gR}}{5}$，v₂′=$\frac{2\sqrt{2gR}}{5}$，⑩
（3）根據(jù)能量定恒，兩棒在軌道上運(yùn)動(dòng)過程產(chǎn)生的焦耳熱為
  Q=$\frac{1}{2}$×2m${v}_{1}^{2}$-（$\frac{1}{2}$×2m${v}_{1}^{′2}$+$\frac{1}{2}$m${v}_{2}^{′2}$）（11）
由①⑧⑩（11）解得，Q=$\frac{14}{25}$mgR
（4）對(duì)cd棒，由動(dòng)量定理得：
  B$\overline{I}$L•△t=mv₂′
又 q=$\overline{I}$△t
解得 $q=\frac{{2m\sqrt{2gR}}}{5BL}$
答：
（1）棒cd在水平導(dǎo)軌上的最大加速度為$\frac{{B}^{2}{L}^{2}\sqrt{2gR}}{2mr}$；
（2）棒ab和棒cd離開導(dǎo)軌時(shí)的速度大小分別為$\frac{4\sqrt{2gR}}{5}$和$\frac{2\sqrt{2gR}}{5}$；
（3）兩棒在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的焦耳熱是$\frac{14}{25}$mgR．
（4）從棒cd開始運(yùn)動(dòng)到離開桌面過程中，流過棒CD的電荷量是$\frac{2m\sqrt{2gR}}{5BL}$．

點(diǎn)評(píng) 本題是電磁感應(yīng)與電路、磁場(chǎng)、力學(xué)等知識(shí)的綜合應(yīng)用，根據(jù)牛頓第二定律求加速度，以及結(jié)合運(yùn)動(dòng)學(xué)能夠分析出金屬棒的運(yùn)動(dòng)情況．運(yùn)用動(dòng)量定理求電磁感應(yīng)中的電量是常用的方法．