Question

3．如圖甲所示，水平足夠長(zhǎng)的光滑平行金屬導(dǎo)軌MN、PQ間距L=0.3m．導(dǎo)軌電阻忽略不計(jì)，其間連接有阻值R=0.8Ω的定值電阻．開始是，導(dǎo)軌上靜止放置一質(zhì)量m=0.01kg、電阻r=0.4Ω的金屬桿ab，整個(gè)裝置處于磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.5T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直導(dǎo)軌面向下．現(xiàn)用一平行金屬導(dǎo)軌的外力F沿水平方向拉金屬桿ab，使之由靜止開始運(yùn)動(dòng)并始終與導(dǎo)軌保持處置，電壓采集器可將其兩端的電壓U即時(shí)采集并輸入電腦，獲得電壓U隨時(shí)間t變化的關(guān)系圖象如圖乙所示．求：

（1）在t=4s時(shí)通過金屬桿的感應(yīng)電流的大小和前4s內(nèi)金屬桿位移的大��；
（2）第4s末拉力F的瞬時(shí)功率．

Answer 1

分析 （1）由圖象求出t=4s末電路R兩端的電壓值，由歐姆定律求出電路中電流．根據(jù)圖象乙寫出U與t的關(guān)系式，結(jié)合歐姆定律、法拉第定律求出速度與時(shí)間的關(guān)系式，從而求得金屬棒的加速度，再由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式求出其位移．
（2）由安培力公式求出安培力，由牛頓第二定律求出t=4s末的拉力，然后由功率公式P=Fv求出拉力的瞬時(shí)功率．

解答 解：（1）由題圖乙可知，當(dāng)t=4s時(shí)，U=0.6V，此時(shí)電路中的電流（即通過金屬桿的電流）為：
I=$\frac{U}{R}$=$\frac{0.6}{0.8}$A=0.75A
用右手定則判斷出，此時(shí)電流的方向由b指向a，由題圖乙知：U=kt=0.15t（V）
金屬桿切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：E=BLv
由電路分析有：=$\frac{R}{R+r}$E
聯(lián)立得：v=1.5t（m/s）
則知v與t成正比，即金屬桿沿水平方向做初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，加速度為：a=1.5m/s²
金屬桿在0～4s內(nèi)的位移為：x=$\frac{1}{2}$at²=$\frac{1}{2}×$1.5×4²m=12m
（2）t=4s時(shí)桿的速度為：v₄=at=1.5×4m/s=6m/s
金屬桿所受安培力為：F_安=BIL
由牛頓第二定律，對(duì)金屬桿有：F-F_安=ma
聯(lián)立解得t=4s時(shí)拉力F的瞬時(shí)功率為：P=Fv₄
聯(lián)立解得：P=0.765W．
答：（1）在t=4s時(shí)通過金屬桿的感應(yīng)電流是0.75A．前4s內(nèi)金屬桿的位移大小是12m；
（2）t=4s時(shí)拉力F的瞬時(shí)功率是0.765W．

點(diǎn)評(píng) 本題是一道電磁感應(yīng)與電路、運(yùn)動(dòng)學(xué)相結(jié)合的綜合題，要分析清楚棒的運(yùn)動(dòng)過程，由圖象找出某時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的速度與時(shí)間的關(guān)系是正確解題的關(guān)鍵．