Question

如圖甲所示足夠長的平行光滑金屬導軌ab、cd傾斜放置，兩導軌之間的距離為L＝0.5m，導軌平面與水平面間的夾角為θ＝30°，導軌上端a、c之間連接有一阻值為R₁＝4Ω的電阻，下端b、d之間接有一阻值為R₂＝4Ω的小燈泡。有理想邊界的勻強磁場垂直于導軌平面向上，虛線ef為磁場的上邊界，ij為磁場的下邊界，此區域內的感應強度B，隨時間t變化的規律如圖乙所示，現將一質量為m＝0.2kg的金屬棒MN，從距離磁場上邊界ef的一定距離處，從t＝0時刻開始由靜止釋放，金屬棒MN從開始運動到經過磁場的下邊界ij的過程中，小燈泡的亮度始終不變。金屬棒MN在兩軌道間的電阻r＝1Ω，其余部分的電阻忽略不計，ef、ij邊界均垂直于兩導軌。重力加速度g＝10m/s²。求：

（1）小燈泡的實際功率；

（2）金屬棒MN穿出磁場前的最大速率；

（3）整個過程中小燈泡產生的熱量。

Answer 1

（1）由于小燈泡的亮度始終不變，說明金屬棒MN進入磁場后作勻速直線運動，速度達到最大，由平衡條件得：，得

小燈泡的電功率   得：

（2）由閉合電路的歐姆定律得：

其中，總電阻

由法拉第電磁感應定律得：

由以上各式代入數據解得：

（3）金屬棒進入磁場前，由牛頓第二定律得：

加速度a＝gsin30°＝5m/s²

進入磁場前所用的時間：，得

設磁場區域的長度為x。在0－t₁時間內，由法拉第電磁感應定律得：

（1分）

金屬棒MN進入磁場前，總電阻+

又感應電動勢，所以（1分）

在磁場中運動的時間（1分）

整個過程中小燈泡產生的熱量

代入數據解得：（1分）