Question

【題目】如圖所示，兩電阻不計的足夠長光滑平行金屬導軌與水平面夾角θ，導軌間距L，所在平面的正方形區(qū)域abcd內(nèi)存在有界勻強磁場，磁感應強度為B，方向垂直斜面向上。將甲乙兩個電阻相同、質量均為m的相同金屬桿如圖放置在導軌上，甲金屬桿處在磁場的上邊界，甲乙相距L。從靜止釋放兩金屬桿的同時，在甲金屬桿上施加一個沿著導軌的外力F，使甲金屬桿始終沿導軌向下做勻加速直線運動，加速度大小為gsinθ，乙金屬桿剛進入磁場時作勻速運動。

（1）求金屬桿乙剛進入磁場時的速度.

（2）自剛釋放時開始計時，寫出從開始到甲金屬桿離開磁場，外力F隨時間t的變化關系，并說明F的方向.

（3）若從開始釋放到乙金屬桿離開磁場，乙金屬桿中共產(chǎn)生熱量Q，試求此過程中外力F對甲做的功.

Answer 1

【答案】解（1）因為甲、乙加速度相同，所以，當乙進入磁場時，甲剛出磁場

乙進入磁場時的速度

（2）乙離開磁場時做勻速運動，對乙有

甲在磁場中運動時，外力F始終等于安培力

解得：，方向沿導軌向下。（3分）

（3）乙進入磁場前，甲、乙發(fā)出相同熱量，設均為Q1，則有（2分）

又 F=F安

得F對甲做的功WF=Fl=2Q1 （2分）

甲出磁場以后，外力F為零。

乙在磁場中，甲、乙發(fā)出相同熱量，設均為Q2，則有

（2分）

又（2分）

Q=Q1+Q2 （1分）

解得： WF ="2Q" - mglsinθ

【解析】

（1）乙進入磁場前，不受安培力

（2）乙進入磁場時，勻速

乙：

（3）

（4）乙進入磁場前 甲、乙發(fā)出相同熱量Q1

W安1=2Q1

甲：F=F安WF= W安1=2Q1

甲出磁場，乙進磁場

甲：F="0" WF’=0

乙切割磁感線 甲乙發(fā)出相同熱量Q乙

W安2=2Q2

乙勻速運動 F安2=mgsinθ

W安2= F安L=mgLsinθ

∴WF=2Q1=2（Q-Q2）=2Q-2Q2=2Q-mgLsinθ

本題考查導體棒在磁場中的運動，乙進入磁場前，不受安培力，所以只受重力沿斜面向下的分力，根據(jù)牛頓第二定律可得出乙在進入磁場前的加速度，結合算出乙進入磁場時的速度。，三個式子聯(lián)立求出電阻R.對于F隨時間的變化，需要分階段考慮，乙進入磁場前 甲、乙發(fā)出相同熱量Q1