Question

（20分）CDE是固定在絕緣水平面上的光滑金屬導軌，CD = DE = L，∠CDE=60°，如圖甲所示，CD和DE單位長度的電阻均為r₀，導軌處于磁感應強度為B．豎直向下的勻強磁場中。一根金屬桿MN，長度大于L，電阻可忽略不計。現MN在向右的水平拉力作用下以速度v₀，在CDE上勻速滑行。MN在滑行的過程中始終與CDE接觸良好，并且與C．E所確定的直線平行。

   （1）求MN滑行到C．E兩點時，C．D兩點電勢差的大小；

   （2）推導MN在CDE上滑動過程中，回路中的感應電動勢E與時間t的關系表達式；

   （3）在運動學中我們學過：通過物體運動速度和時間的關系圖線（v – t 圖）可以求出物體運動的位移x，如圖乙中物體在0 – t₀時間內的位移在數值上等于梯形Ov₀P t₀的面積。通過類比我們可以知道：如果畫出力與位移的關系圖線（F—x圖）也可以通過圖線求出力對物體所做的功。

請你推導MN在CDE上滑動過程中，MN所受安培力F_安與MN的位移x的關系表達式，并用F_安與x的關系圖線求出MN在CDE上整個滑行的過程中，MN和CDE構成的回路所產生的焦耳熱。

 

Answer 1

【答案】

（1）

（2）

（3）

【解析】（1）MN滑行到C．E兩點時，在回路中的長度等于L，此時回路中的感應電動勢

由于MN的電阻忽略不計，CD和DE的電阻相等，

所以C．D兩點電勢差的大小

   （2）設經過時間t運動到如圖所示位置，此時桿在回路中的長度

電動勢   （6分）

   （3）在第（2）題圖示位置時，回路中的電阻，

回路中的電流

即回路中的電流為一常量。

此時安培力的大小

由于MN在CDE上滑動時的位移

所以    （5分）

所以安培力的大小隨位移變化的圖線（F_安－x）如圖所示

所以在MN在CDE上的整個滑行過程中，安培力所做的功

根據能量的轉化和守恒定律

回路中產生的焦耳熱Q等于安培力所做的功，即

 （5分）