Question

如圖所示，傾角為θ＝30°、足夠長的光滑平行金屬導(dǎo)軌MN、PQ相距L₁＝0.4m，B₁＝5T的勻強(qiáng)磁場垂直導(dǎo)軌平面向上。一質(zhì)量m＝1.6kg的金屬棒ab垂直于MN、PQ放置在導(dǎo)軌上，且始終與導(dǎo)軌接觸良好，其電阻r＝1Ω。金屬導(dǎo)軌上端連接右側(cè)電路，R₁＝1Ω，R₂＝1.5Ω。R₂兩端通過細(xì)導(dǎo)線連接質(zhì)量M＝0.6kg的正方形金屬框cdef，每根細(xì)導(dǎo)線能承受的最大拉力F_m=3.6N，正方形邊長L₂＝0.2 m，每條邊電阻r₀=1Ω，金屬框處在一方向垂直紙面向里、B₂＝3T的勻強(qiáng)磁場中�，F(xiàn)將金屬棒由靜止釋放，不計其他電阻及滑輪摩擦，取g=10m/s²。求：

（1）電鍵S斷開時棒ab下滑過程中的最大速度v_m；
（2）電鍵S閉合，細(xì)導(dǎo)線剛好被拉斷時棒ab的速度v；
（3）若電鍵S閉合后，從棒ab釋放到細(xì)導(dǎo)線被拉斷的過程中棒ab上產(chǎn)生的電熱Q=2J，此過程中棒ab下滑的高度h。

Answer 1

(1) v_m="7m/s" (2) v＝3.75m/s (3)

試題分析：（1）電鍵S斷開時，ab棒沿導(dǎo)軌變加速下滑，速度最大時合力為0，根據(jù)物體平衡條件和法拉第電磁感應(yīng)定律有：
     ①
         ②
       ③
聯(lián)解①②③代入數(shù)據(jù)得：
v_m="7m/s"             ④
（2）閉合S后，ab棒沿導(dǎo)軌下滑切割磁感線，R₂與線框cd邊及cfed部分組成并聯(lián)電路，設(shè)并聯(lián)部分電阻為R，細(xì)導(dǎo)線剛被拉斷時通過ab棒的電流為I₁，通過R₂的電流為I₂，通過金屬框部分的電流為I₃，則：
            ⑤
      ⑥
            ⑦
           ⑧
對金屬框，由物體平衡條件有：
  ⑨
聯(lián)解⑤⑥⑦⑧⑨代入數(shù)據(jù)得：
v＝3.75m/s          ⑩
(3)當(dāng)棒下滑高度為h時，棒上產(chǎn)生的熱量為Q，上產(chǎn)生的熱量為, 及金屬框并聯(lián)部分產(chǎn)生的總熱量為，根據(jù)能量轉(zhuǎn)化與守恒定律有：
根據(jù)焦耳定律和電路結(jié)構(gòu)關(guān)系有：
聯(lián)立可得：