Question

如圖所示，處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的兩根足夠長(zhǎng)、電阻不計(jì)的平行金屬導(dǎo)軌相距l(xiāng)m，導(dǎo)軌平面與水平面成θ=37°角，上端連接阻值為R=2Ω的電阻．勻強(qiáng)磁場(chǎng)方向與導(dǎo)軌平面垂直，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.4T．質(zhì)量為0.2kg、電阻為1Ω的金屬棒ab，以初速度v從導(dǎo)軌底端向上滑行，金屬棒ab在安培力和一平行與導(dǎo)軌平面的外力F的共同作用下做勻變速直線運(yùn)動(dòng)，加速度大小為a=3m/s²、方向和初速度方向相反，在金屬棒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，電阻R消耗的最大功率為1.28W．設(shè)金屬棒與導(dǎo)軌垂直并保持良好接觸，它們之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.25．（g=10m/s²，sin37°=0.6，cos37°=0.8）
求：
（1）金屬棒產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值
（2）金屬棒初速度v的大小
（3）當(dāng)金屬棒速度的大小為初速度一半時(shí)施加在金屬棒上外力F的大小和方向
（4）請(qǐng)畫出金屬棒在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中外力F隨時(shí)間t變化所對(duì)應(yīng)的圖線．

Answer 1

【答案】分析：（1）在金屬棒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，電阻R消耗的功率最大時(shí)，回路中感應(yīng)電流最大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大．由公式P=I²R求出感應(yīng)電流的最大值，由歐姆定律求感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值；
（2）由于金屬棒ab做勻變速直線運(yùn)動(dòng)，加速度方向和初速度方向相反，說(shuō)明做勻減速運(yùn)動(dòng)，開(kāi)始時(shí)速度最大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，由公式?=Blv求出v的大��；
（3）當(dāng)金屬棒速度的大小為初速度一半時(shí)，由F_安=求出安培力．已知加速度，分析上升和下降兩種情況，由牛頓第二定律求外力F；
（4）根據(jù)外力F隨時(shí)間t的表達(dá)式，作出圖象．
解答：解：（1）電阻R消耗的功率最大時(shí)，回路中感應(yīng)電流最大，則得回路中感應(yīng)電流最大值 
代入得
金屬棒產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的最大值  ε_max=I_max（R+r）
代入得 ε_max=0.8×（2+1）V=2.4V
（2）由 ε_max=Blv得  ==6m/s
（3）當(dāng)v=3m/s時(shí)，棒所受的安培力 
分兩種情況
�。┰谏仙�過(guò)程中 mgsinθ+f+F_安-F_外=ma  ①
又f=μmgcosθ
解得，F(xiàn)_外=1.16N，方向沿導(dǎo)軌平面向上      
ⅱ）在下降過(guò)程中mgsinθ-f-F_安-F_外=ma  ②
解得   F_外=0.04N，方向沿導(dǎo)軌平面向上     
（4）上升過(guò)程：F_安===（0.32-0.16t）N
由①得：F_外=mgsinθ+f+F_安-ma=（1.32-0.16t）N
上升過(guò)程運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t==2s
 下滑過(guò)程：由②得：F_外=mgsinθ-f+F_安-ma=（084-0.16t）N
根據(jù)對(duì)稱性可知，上滑過(guò)程運(yùn)動(dòng)時(shí)間也為t=2s．
畫出金屬棒在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中外力F隨時(shí)間t變化所對(duì)應(yīng)的圖線如圖所示．
點(diǎn)評(píng)：本題整合了電路、力學(xué)、電磁感應(yīng)等等多方面知識(shí)，綜合性較強(qiáng)．對(duì)于圖象，根據(jù)物理規(guī)律列出解析式，再作圖是慣用的思路．