Question

如圖所示，足夠長的兩根光滑導軌相距0.5m豎直平行放置，導軌電阻不計，下端連接阻值為1Ω的電阻R，導軌處在勻強磁場B中，磁場的方向垂直于導軌平面向里，磁感應強度為0.8T。兩根質量均為0.04kg、電阻均為0.5Ω的水平金屬棒ab、cd都與導軌接觸良好，金屬棒ab用一根細繩懸掛，細繩允許承受的最大拉力為0.64N，現讓cd棒從靜止開始落下，直至細繩剛好被拉斷，在此過程中電阻R上產生的熱量為0.2J，g=10/s²。求：

（1）此過程中ab棒和cd棒分別產生的熱量Q_ab和Q_cd。

（2）細繩被拉斷時，cd棒的速度。

（3）細繩剛被拉斷時，cd棒下落的高度。

Answer 1

（1）0.4J； 0.9J     （2）1.88m/s ?  （3）3.93m 

   

解析:

（1）金屬棒cd從靜止開始運動直至細繩剛好被拉斷的過程中有：

Q_ab =U²t/R_ab      ①   (1分)   Q_R=U²t/R         ②  (1分) 

聯立①②可得Q_ab=0.4J    ③  (1分)

Q_cd =I²R_cdt          ④   (1分)  Q_ab + Q_R =I²RR_abt/(R_ab+R) ⑤(1分)

聯立④⑤可得Q_ab =0.9J ⑥  (1分)

(2) 細繩被拉斷瞬時,對ab棒有:

F_m=mg+BI_abL        ⑦   (2分)

又有I_R=R_abI_ab/R      ⑧   ( 1分)  I_cd=I_ab+I_cd            ⑨      (1分)

又由閉合歐姆定可得  BLv=I_cd [R_cd+R_abR/(R_ab+R)]  ⑩   (2分)

聯立⑦⑧⑨⑩可得v=1.88m/s ?   (1分)

(3)由功能關系得  Mgh= Q_總 +mv²/2         ?(4分)

即可得h=3.93m         (1分)