Question

如圖甲所示，空間存在B=0.5T，方向豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，MN、PQ是處于同一水平面內(nèi)相互平行的粗糙長(zhǎng)直導(dǎo)軌，間距L=0.2m，R是連在導(dǎo)軌一端的電阻，ab是跨接在導(dǎo)軌上質(zhì)量m=0.1kg的導(dǎo)體棒．從零時(shí)刻開始，通過一小型電動(dòng)機(jī)對(duì)ab棒施加一個(gè)牽引力F，方向水平向左，使其從靜止開始沿導(dǎo)軌做加速運(yùn)動(dòng)，此過程中棒始終保持與導(dǎo)軌垂直且接觸良好．圖慚是棒的v-t圖象，其中OA段是直線，AC是曲線，DE是曲線圖象的漸近線，小型電動(dòng)機(jī)在12s末達(dá)到額定功率，P_額=4.5W，此后功率保持不變．除R以外，其余部分的電阻均不計(jì)，g=10m/s²．
（1）求導(dǎo)體棒在0-12s內(nèi)的加速度大小；
（2）求導(dǎo)體棒與導(dǎo)軌間的動(dòng)摩擦因數(shù)及電阻R的阻值；
（3）若t=17s時(shí)，導(dǎo)體棒ab達(dá)最大速度，從0-17s內(nèi)共發(fā)生位移100m，試求12-17s內(nèi)，R上產(chǎn)生的熱量是多少？

Answer 1

分析：（1）導(dǎo)體棒在0-12s內(nèi)做勻加速運(yùn)動(dòng)，由圖象的斜率求解加速度．
（2）乙圖中A點(diǎn)：由E=BLv、I=

E

R

、F=BIL推導(dǎo)出安培力的表達(dá)式，由牛頓第二定律得到含μ和R的表達(dá)式；圖中C點(diǎn)：導(dǎo)體棒做勻速運(yùn)動(dòng)，由平衡條件再得到含μ和R的表達(dá)式，聯(lián)立求出μ和R．
（3）由圖象的“面積”求出0-12s內(nèi)導(dǎo)體棒發(fā)生的位移，0-17s內(nèi)共發(fā)生位移100m，求出AC段過程發(fā)生的位移，由能量守恒定律求解12-17s內(nèi)R上產(chǎn)生的熱量．

解答：解：（1）由圖中可得：12s末的速度為v₁=9m/s，t₁=12s
導(dǎo)體棒在0.12s內(nèi)的加速度大小為a=

v1-0

t1

=0.75m/s²．
（2）設(shè)金屬棒與導(dǎo)軌間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ．
當(dāng)金屬棒的速度為v時(shí)，安培力大小為F，則有
   F=BIL，I=

BLv

R

得 F=

B2L2v

R

A點(diǎn)：由牛頓第二定律得 
   F₁-μmg-

B2L2v1

R

=ma₁
又P_額=F₁v₁．
C點(diǎn)：棒達(dá)到最大速度，F(xiàn)₂-μmg-

B2L2vm

R

=0
P_額=F₂v_m．
聯(lián)立解得，μ=0.2，R=0.4Ω
（2）0-12s內(nèi)導(dǎo)體棒發(fā)生的位移為s₁=

1

2

×9×12m=54m，
AC段過程棒發(fā)生的位移為s₂=100-s₁=46m
由能量守恒得
  P_額t=Q_R+μmgs₂+（

1

2

m

v

2 m

-

1

2

m

v

2 1

）
代入解得Q_R=12.35J
答：
（1）求導(dǎo)體棒在0-12s內(nèi)的加速度大小是0.75m/s²；
（2）導(dǎo)體棒與導(dǎo)軌間的動(dòng)摩擦因數(shù)是0.2，電阻R的阻值是0.4Ω；
（3）12-17s內(nèi)，R上產(chǎn)生的熱量是12.35J．

點(diǎn)評(píng)：本題與力學(xué)中汽車勻加速起動(dòng)類似，關(guān)鍵要推導(dǎo)安培力的表達(dá)式F=

B2L2v

R

，根據(jù)平衡條件、牛頓第二定律和能量守恒結(jié)合進(jìn)行求解．