如圖甲所示,光滑且足夠長的金屬導軌MN、PQ平行地固定的同一水平面上,兩導軌間距L=0.20cm,兩導軌的左端之間連接的電阻R=0.40Ω,導軌上停放一質量m=0.10kg的金屬桿ab,位于兩導軌之間的金屬桿的電阻r=0.10Ω,導軌的電阻可忽略不計.整個裝置處于磁感應強度B=0.50T的勻強磁場中,磁場方向豎直向下.現(xiàn)用一水平外力F水平向右拉金屬桿,使之由靜止開始運動,在整個運動過程中金屬桿始終與導軌垂直并接觸良好,若理想電壓表的示數(shù)U隨時間t變化的關系如圖乙所示.求金屬桿開始運動經(jīng)t=5.0s時,
(1)通過金屬桿的感應電流的大小和方向;
(2)金屬桿的速度大小;
(3)外力F的瞬時功率.
分析:(1)根據(jù)圖象在t=0.5s時,通過電壓和電阻的大小求出通過電阻R的電流大小,根據(jù)右手定則判斷出感應電流的方向.
(2)根據(jù)閉合電路歐姆定律求出感應電動勢的大小,結合切割產生的感應電動勢公式E=BLv求出金屬桿切割的速度.
(3)根據(jù)閉合電路歐姆定律,結合E=BLv求出電壓表讀數(shù)與v的關系式,通過U-t的關系得出v-t的關系,從而求出金屬桿的加速度,根據(jù)牛頓第二定律求出外力F的大小,再根據(jù)P=Fv求出外力的瞬時功率.
解答:解:(1)由圖象可知,t=5.0s時,U=0.40V.
此時電路中的電流(即通過金屬桿的電流)I=
U
R
=1.0A

用右手定則判斷出,此時電流的方向由b指向a.
(2)金屬桿產生的感應電動勢E=I(R+r)=0.50V
因E=BLv,所以0.50s時金屬桿的速度大小v=
E
BL
=5.0m/s
(3)金屬桿速度為v時,電壓表的示數(shù)應為 U=
R
R+r
BLv

由圖象可知,U與t成正比,由于R、r、B及L均與不變量,所以v與t成正比,即金屬桿應沿水平方向向右做初速度為零的勻加速直線運動.
金屬桿運動的加速度a=
v
t
=1.0m/s2

根據(jù)牛頓第二定律,在5.0s末時對金屬桿有:F-BIL=ma,
解得F=0.20N.
此時F的瞬時功率P=Fv=1.0W.
答:(1)通過金屬桿的感應電流的大小為1.0A,方向由b指向a.
(2)金屬桿的速度大小為5.0m/s.
(3)外力F的瞬時功率為1.0W.
點評:解決本題的關鍵根據(jù)U與t的關系,推導出v與t的關系,掌握導體切割產生的感應電動勢大小公式.
練習冊系列答案
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如圖甲所示,光滑且足夠長的平行金屬導軌MN、PQ固定在同一水平面上,兩導軌間距L=0.30m.導軌電阻忽略不計,其間連接有固定電阻R=0.40Ω.導軌上停放一質量m=0.10kg、電阻r=0.20Ω的金屬桿ab,整個裝置處于磁感應強度B=0.50T的勻強磁場中,磁場方向豎直向下.用一外力
F沿水平方向拉金屬桿ab,使之由靜止開始運動,電壓傳感器可將R兩端的電壓U即時采集并輸入電腦,獲得電壓U隨時間t變化的關系如圖乙所示.
(1)試證明金屬桿做勻加速直線運動,并計算加速度的大;
(2)求第2s末外力F的瞬時功率;
(3)如果水平外力從靜止開始拉動桿2s所做的功W=0.35J,求金屬桿上產生的焦耳熱.

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如圖甲所示,光滑且足夠長的平行金屬導軌MN、PQ固定在同一水平面上,兩導軌間距L=0.3m.導軌電阻忽略不計,其間連接有固定電阻R=0.4Ω.導軌上停放一質量m=0.1kg、電阻r=0.2Ω的金屬桿ab,整個裝置處于磁感應強度B=0.5T的勻強磁場中,磁場方向豎直向下.利用一外力F沿水平方向拉金屬桿ab,使之由靜止開始運動做勻加速直線運動,電壓傳感器可將R兩端的電壓U即時采集并輸入電腦,獲得電壓U隨時間t變化的關系如圖乙所示.
(1)求金屬桿的瞬時速度隨時間變化的表達式;
(2)求第2s末外力F的大小;
(3)如果水平外力從靜止起拉動桿2s所做的功為1.2J,求整個回路中產生的焦耳熱是多少.

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如圖甲所示,光滑且足夠長的平行金屬導軌MN、PQ固定在同一水平面上,兩導軌間距L=0.30m.導軌電阻忽略不計,其間連接有固定電阻R=0.40Ω.導軌上停放一質量m=0.10kg、電阻r=0.20Ω的金屬桿ab,整個裝置處于磁感應強度B=0.50T的勻強磁場中,磁場方向豎直向下.用一外力F沿水平方向拉金屬桿ab,使之由靜止開始運動,電壓傳感器可將R兩端的電壓U即時采集并輸入電腦,獲得電壓U隨時間t變化的關系如圖乙所示.
(1)試證明金屬桿做勻加速直線運動,并計算加速度的大小;
(2)求第2s末外力F的瞬時功率;
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如圖甲所示,光滑且足夠長的平行金屬導軌MN、PQ與水平面間的傾角θ=30°,兩導軌間距L=0.3m.導軌電阻忽略不計,其間連接有阻值R=0.4Ω的固定電阻.開始時,導軌上固定著一質量m=0.1kg、電阻r=0.2Ω的金屬桿ab,整個裝置處于磁感應強度B=0.5T的勻強磁場中,磁場方向垂直導軌面向下.現(xiàn)拆除對金屬桿ab的約束,同時用一平行金屬導軌面的外力F沿斜面向上拉金屬桿ab,使之由靜止開始向上運動.電壓采集器可將其兩端的電壓U即時采集并輸入電腦,獲得的電壓U隨時間t變化的關系如圖乙所示.
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求:
(1)在t=2.0s時通過金屬桿的感應電流的大小和方向;
(2)金屬桿在2.0s內通過的位移;
(3)2s末拉力F的瞬時功率.

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如圖甲所示,光滑且足夠長的平行金屬導軌MN、PQ固定在同一水平面上,兩導軌間距L=0.2m,電阻R=0.4Ω,導軌上停放一質量為m=0.1kg,電阻為r=0.1Ω的金屬桿ab,導軌的電阻不計,整個裝置處于磁感應強度為B=0.5T的勻強磁場中,磁場的方向豎直向下.現(xiàn)用一外力F沿水平方向拉桿,使之由靜止開始運動,若理想電壓表示數(shù)U隨時間t的變化關系如圖乙所示.
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求:(1)運動速度隨時間t的變化關系式;
(2)金屬桿運動的加速度;
(3)第5秒末外力F的功率.

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