Question

如圖所示，MN、PQ為間距L=0.5m足夠長的平行導軌，NQ⊥MN．導軌平面與水平面間的夾角θ=37°，NQ間接有一個R=5Ω的電阻．有一勻強磁場垂直于導軌平面，磁感應強度B=1T，將一根質量為m=0.04kg的金屬棒ab緊靠NQ放置在導軌上，且與導軌接觸良好，導軌與金屬棒的電阻均不計．現由靜止釋放金屬棒，金屬棒沿導軌向下運動過程中始終與NQ平行．已知金屬棒與導軌間的動摩擦因數μ=0.5，當金屬棒滑行至cd處時已經達到穩定速度，已知cd距離NQ為s=2m．試解答下列問題：
（1）請定性說明金屬棒在到達穩定速度前的加速度和速度各如何變化？
（2）當金屬棒滑行至cd處時回路中的電流多大？
（3）金屬棒達到的穩定速度多大？
（4）若將金屬棒滑行至cd處的時刻記作t=0，從此時刻起，讓磁感應強度逐漸減小，可使金屬棒中不產生感應電流，則磁感應強度應B怎樣隨時間t變化（寫出B與t的關系式）？．

Answer 1

【答案】分析：（1）對金屬棒進行受力分析，判斷其運動情況，抓住安培力與速度正比進行分析．
（2）金屬棒達到穩定速度時，即為做勻速運動，根據平衡條件列出等式求解電流．
（3）由法拉第定律和歐姆定律列式，求穩定的速度．
（4）要使金屬棒中不產生感應電流，則穿過線框的磁通量不變．同時棒開始勻速直線運動．從而可求出磁感應強度B應怎樣隨時間t變化的．
解答：解：（1）金屬棒向下運動的過程中，受到重力、導軌的支持力和滑動摩擦力，沿導軌向上的安培力．
開始階段，重力沿導軌向下的分力大于摩擦力與安培力之和，金屬棒向下做加速運動，隨著速度增大，棒所受的安培力增大，合力減小，加速度減小，當合力為零時，棒做勻速運動，達到穩定狀態．故金屬棒的加速度逐漸減小直至零，速度逐漸增大，直到最大．
（2）金屬棒滑行至cd處時已經達到穩定速度，勻速運動，則有
   mgsinθ=BIL+μmgcosθ，
代入解得  I=0.16A，
（3）設金屬棒達到的穩定速度為v，根據BLv=IR，得
  v==1.6m/s，
（4）要使金屬棒中不產生感應電流，穿過線框的磁通量不變，則有
  BLs=B_tL（s+vt），
解得 B_t==（T）
答：
（1）金屬棒在到達穩定速度前的加速度逐漸減小直至零，速度逐漸增大，直到最大．
（2）當金屬棒滑行至cd處時回路中的電流是0.16A
（3）金屬棒達到的穩定速度是1.6m/s．
（4）要使金屬棒中不產生感應電流，則磁感應強度應B隨時間t變化關系式為：B_t=（T）．
點評：本題考查了牛頓運動定律、閉合電路毆姆定律，安培力公式、感應電動勢公式，還有能量守恒．同時當金屬棒速度達到穩定時，則一定是處于平衡狀態，原因是安培力受到速度約束的．還巧妙用磁通量的變化去求出面積從而算出棒的距離．金屬棒中不產生感應電流，線框的總磁通量將保持不變．