Question

如圖甲所示，一對足夠長的平行粗糙導軌固定在水平面上，兩導軌間距l(xiāng)=1m，左端之間用R=3Ω的電阻連接，導軌的電阻忽略不計．一根質(zhì)量m=0.5kg、電阻r=1Ω的導體桿靜置于兩導軌上，并與兩導軌垂直．整個裝置處于磁感應強度B=2T的勻強磁場中，磁場方向垂直導軌平面向上．現(xiàn)用水平向右的拉力F拉導體桿，拉力F與時間t的關系如圖乙所示，導體桿恰好做勻加速直線運動．在0～2s內(nèi)拉力F所做的功為W=

68

3

 J，重力加速度g取10m/s²．求：
（1）導體桿與導軌間的動摩擦因數(shù)μ；
（2）在0～2s內(nèi)通過電阻R的電量q；
（3）在0～2s內(nèi)電阻R上產(chǎn)生的熱量Q．

Answer 1

分析：（1）根據(jù)切割產(chǎn)生的感應電動勢公式、閉合電路歐姆定律和安培力公式求出導體桿所受安培力與時間的關系式，結(jié)合牛頓第二定律求出拉力D與t的關系式，根據(jù)F-t圖線求出勻加速直線運動的加速度和動摩擦因數(shù)．
（2）根據(jù)勻變速直線運動的位移時間公式求出導體桿的位移，通過q=

N△Φ

R總

求出通過的電量．
（3）求出2s末導體桿的速度，抓住克服安培力做功等于整個回路產(chǎn)生的熱量，根據(jù)動能定理求出整個回路產(chǎn)生的熱量，從而求出電阻R上產(chǎn)生的熱量．

解答：解：（1）設導體桿的加速度為a，則t時刻導體桿的速度v=at
產(chǎn)生的感應電動勢為E=Blv
電路中的感應電流為I=

Blv

R+r

導體桿上所受的安培力為F_安=BIl=

B2l2v

R+r

=

B2l2at

R+r

由牛頓第二定律可知F-μmg-

B2l2at

R+r

=ma
即F=ma+μmg+

B2l2at

R+r

代入數(shù)字得F=

1

2

a+5μ+at N
由圖象可知F=3+2t N
由于物體做勻加速直線運動，加速度a為常數(shù)，比較兩式可得
a=2 m/s²，μ=0.4
（2）在F作用的時間內(nèi)，導體桿的位移為x=

1

2

at²=4 m
在時間t內(nèi)的平均感應電動勢

.

E

=

△Φ

△t

=

Blx

t

平均電流為

.

I

=

Blx

t(R+r)

通過的電荷量q=

.

I

t=

Blx

R+r

代入數(shù)得q=2 C
（3）t=2 s時刻，導體桿的速度v=at=4 m/s
在力F的作用過程中，設電路中產(chǎn)生的總熱量為Q′．由動能定理可知
W_F-μmgx-Q′=

1

2

mv²
代入數(shù)字可得Q′=

32

3

 J
由串聯(lián)電路的知識可知Q=

3

4

Q′=8 J
答：（1）導體桿與導軌間的動摩擦因數(shù)為0.4．
（2）在0～2s內(nèi)通過電阻R的電量為2C．
（3）在0～2s內(nèi)電阻R上產(chǎn)生的熱量為8J．

點評：考查根據(jù)圖象尋找有價值的信息，并結(jié)合法拉第電磁感應定律、牛頓第二定律、閉合電路歐姆定律、能量守恒定律綜合求解．注意巧用小方格來得出這段時間內(nèi)的位移．