Question

【題目】如圖，在水平直角坐標(biāo)平面xOy內(nèi)，過原點(diǎn)O沿y軸固定一無限長(zhǎng)絕緣通電直導(dǎo)線，電流方向沿+y方向、大小恒為I0，其周圍空間磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小B＝kI0/x，k為常數(shù)、x為離直導(dǎo)線的垂直距離。OA、OB為沿Ⅰ、Ⅳ象限角平分線方向固定，材料、粗細(xì)均相同的兩根足夠長(zhǎng)裸直導(dǎo)軌，兩導(dǎo)軌在原點(diǎn)O接觸良好，但與通電直導(dǎo)線絕緣。cd為長(zhǎng)L、材料和粗細(xì)與導(dǎo)軌相同的足夠長(zhǎng)裸金屬桿。現(xiàn)使cd桿從原點(diǎn)O開始垂直Ox軸貼著兩導(dǎo)軌向+x方向運(yùn)動(dòng)，經(jīng)t秒運(yùn)動(dòng)至坐標(biāo)x處。在這一過程中，cd桿中電流強(qiáng)度大小恒為I。已知導(dǎo)軌、cd桿單位長(zhǎng)度電阻為R0，不計(jì)導(dǎo)軌中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的影響。

（1）判斷cd桿滑動(dòng)時(shí)感應(yīng)電流的方向，并求t秒末它的速率v與x的關(guān)系式；

（2）分析說明cd桿在運(yùn)動(dòng)過程中加速度大小的變化情況；

（3）求t秒末cd桿兩端電壓U與x的關(guān)系式；

（4）求t秒內(nèi)cd桿產(chǎn)生的焦耳熱Q與x的關(guān)系式。

Answer 1

【答案】（1） （2）桿的加速增大；（3）U=[(1+)L-2x]IR0（4）Q=2(-1)kI0Ix

【解析】（1）由安培定則、右手定則可以判定，cd桿中感應(yīng)電流方向沿+y方向；

解得：

（2）由上式，取連續(xù)相等兩位移Δx，cd桿經(jīng)過兩段位移速度變化量Δv相同，但由于cd桿加速滑動(dòng)，故后一段位移時(shí)間Δt比前一段短，由 ，可知桿的加速增大；

（3）t秒末，cd桿在兩導(dǎo)軌之間的一段兩端電壓： ；

桿伸出導(dǎo)軌外部分兩端電壓：

所以cd桿兩端電壓：

（4）cd桿受到的安培力：

cd桿在t秒內(nèi)，克服安培力的功等于閉合回路中產(chǎn)生的總焦耳熱：