Question

相距為L(zhǎng)=0.20m的足夠長(zhǎng)的金屬直角導(dǎo)軌如圖所示放置，它們各有一邊在同一水平面內(nèi)，另一邊垂直于水平面．質(zhì)量均為m=0.1kg的金屬細(xì)桿ab、cd與導(dǎo)軌垂直接觸形成閉合回路，桿與導(dǎo)軌之間的動(dòng)摩擦因數(shù)均為μ=0.5，導(dǎo)軌電阻不計(jì)，回路總電阻為R=1.0Ω．整個(gè)裝置處于磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B=0.50T、方向豎直向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中．當(dāng)ab桿在平行于水平導(dǎo)軌的拉力F作用下從靜止開始沿導(dǎo)軌勻加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，cd桿也同時(shí)從靜止開始沿導(dǎo)軌向下運(yùn)動(dòng)．測(cè)得拉力F與時(shí)間t的關(guān)系如圖所示．g=10m/s²，求：

（1）ab桿的加速度a；
（2）當(dāng)cd桿達(dá)到最大速度時(shí)ab桿的速度大�。�

Answer 1

分析：（1）由題，分析可知，只有ab桿切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)．以ab桿為研究對(duì)象，因它做勻加速運(yùn)動(dòng)，則得經(jīng)過時(shí)間t時(shí)，速度為v=at，回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電流為I=

E

R

=

BLv

R

，安培力大小為F_A=BIL，根據(jù)牛頓第二定律可得到加速度與時(shí)間的關(guān)系式．由圖讀出當(dāng)t=0時(shí)，ab所受拉力F=1.5N，摩擦力為f=μmg，代入即可求得加速度．
（2）分析cd桿受力情況和運(yùn)動(dòng)情況：cd桿水平方向受到安培力與導(dǎo)軌的彈力平衡，豎直方向受到重力和滑動(dòng)摩擦力，先做變加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)重力和滑動(dòng)摩擦力后做勻速運(yùn)動(dòng)，推導(dǎo)出安培力與速度的關(guān)系式，由平衡條件求出速度．

解答：解：（1）經(jīng)時(shí)間t，桿ab的速率v=at
此時(shí)，回路中的感應(yīng)電流為：I=

E

R

=

BLv

R

 
對(duì)桿ab由牛頓第二定律得：F-BIL一μmg=ma
由以上各式整理得：F=ma+μmg+

B2L2

R

at 
將t=0，F(xiàn)=1.5N代入上式得a=10m/s²  
（2）cd桿受力情況如圖，當(dāng)cd桿所受重力與滑動(dòng)摩擦力相等時(shí)，速度最大，即：mg=μF_N
又F_N=F_安
安培力 F_安=BIL 
感應(yīng)電流 I=

E

R

=

BLv‘

R

  
由以上幾式解得v′=200m/s
答：
（1）ab桿的加速度a為10m/s²；
（2）當(dāng)cd桿達(dá)到最大速度時(shí)ab桿的速度大小是200m/s．

點(diǎn)評(píng)：本題是電磁感應(yīng)與力學(xué)知識(shí)的綜合應(yīng)用，安培力的分析和計(jì)算是關(guān)鍵，難點(diǎn)在于得到加速度與時(shí)間的關(guān)系式．