Question

如圖所示，ab、ef是平行地固定在水平絕緣桌面上的光滑金屬導(dǎo)軌，導(dǎo)軌間距為d．在導(dǎo)軌左端a、c上連有一個阻值為R的電阻，一質(zhì)量為3m，長為d的金屬棒恰能置于導(dǎo)軌上并和導(dǎo)軌良好接觸．起初金屬棒靜止于MN位置，整個裝置處于方向垂直桌面向下、磁感應(yīng)強度為B的磁場中．現(xiàn)有一質(zhì)量為m的帶電量為q的絕緣小球在桌面上從O點（O為導(dǎo)軌上的一點）以與ef成60°斜向右方射向ab，隨后小球直接垂直地打在金屬棒的中點上，并和棒粘合在一起（設(shè)小球與棒之間沒有電荷轉(zhuǎn)移）．小球運動過程中不計導(dǎo)軌間電場的影響，導(dǎo)軌和金屬棒的電阻不計．求：
（1）小球射入磁場時的出速度υ₀；
（2）電阻R上產(chǎn)生的熱量Q和通過的電量△q．

Answer 1

分析：（1）小球入射磁場后將作勻速圓周運動，洛倫茲力提供向心力，求得半徑；根據(jù)題目的條件畫出小球運動的軌跡，求出小球射入磁場時的出速度υ₀；
（2）導(dǎo)體棒切割磁感線時流過導(dǎo)體棒的電量過程中磁場面積的改變即磁通量的改變有關(guān)，要先導(dǎo)出其表達(dá)式，使用公式進(jìn)行說明；產(chǎn)生的熱量及功率，也要先導(dǎo)出其表達(dá)式，每一項都要使用導(dǎo)出的公式來進(jìn)行說明．

解答：解：（1）小球入射磁場后將作勻速圓周運動，設(shè)圓周運動的半徑為r，其軌跡如圖所示
由幾何知識可知：

d

2

=r+rsin(90°-60°)
解得  r=

d

3

①
小球在磁場中作圓周運動：qυ0B=m

υ 2 0

r

②
由①、②得：υ0=

qBd

3m

③
（2）小球和金屬棒的碰撞過程，由動量守恒定律得：
mυ₀=（m+3m）υ④
金屬棒切割磁感線的過程中，棒和小球的動能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)而轉(zhuǎn)化成焦耳熱：

1

2

(m+3m)υ2=Q⑤
由③、④、⑤可得：Q=

q2B2d2

72m

⑥
棒和小球的速度從υ₁變?yōu)?的過程中由動量定理有：-B

.

I

d△t=0-(m+3m)υ⑦
  又

.

I

△t=△q⑧
由③、④、⑦、⑧可得   △q=

q

3

⑨
答：（1）小球射入磁場時的出速度υ0=

qBd

3m

；
（2）電阻R上產(chǎn)生的熱量Q=

q2B2d2

72m

，通過的電量△q=

q

3

．

點評：導(dǎo)體棒切割磁感線時的感應(yīng)電動勢和流過導(dǎo)體棒的電量，產(chǎn)生的熱量及功率，每一項都要使用導(dǎo)出的公式來進(jìn)行說明，千萬不可主觀臆斷．屬于中檔題．