Question

（2012?寶山區(qū)一模）如圖所示，兩根足夠長(zhǎng)的平行光滑金屬導(dǎo)軌被固定在水平面上，兩者間的距離l=0.6m，兩者的電阻均不計(jì)．兩導(dǎo)軌的左端用導(dǎo)線連接電阻R₁及與R₁并聯(lián)的電壓表，右端用導(dǎo)線連接電阻R₂，已知R₁=2Ω，R₂=1Ω．在CDEF矩形區(qū)域內(nèi)有豎直向上的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)區(qū)域遠(yuǎn)離R₁、R₂，CE的長(zhǎng)度d=0.2m，CDEF區(qū)域內(nèi)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化如B～t圖所示．電阻r=2Ω的金屬棒L垂直于導(dǎo)軌放置在離R₁較近的AB處，t=0時(shí)金屬棒在沿導(dǎo)軌水平向右的恒力F作用下由靜止開始運(yùn)動(dòng)，當(dāng)金屬棒運(yùn)動(dòng)到尚離磁場(chǎng)邊界CD較遠(yuǎn)的某一位置時(shí)，電壓表示數(shù)變?yōu)榱悖划?dāng)金屬棒剛進(jìn)入磁場(chǎng)區(qū)域，電壓表的示數(shù)又變?yōu)樵瓉淼闹�，直到金屬棒運(yùn)動(dòng)到EF處電壓表的示數(shù)始終保持不變．求：
（1）t=0.1s時(shí)電壓表的示數(shù)．
（2）恒力F的大小．
（3）金屬棒從AB運(yùn)動(dòng)到EF的過程中整個(gè)電路產(chǎn)生的熱量．

Answer 1

分析：（1）由題，當(dāng)金屬棒運(yùn)動(dòng)到尚離磁場(chǎng)邊界CD較遠(yuǎn)的某一位置時(shí)，電壓表示數(shù)變?yōu)榱�，此后磁�?chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度保持不變．金屬棒在0-0.2s的運(yùn)動(dòng)時(shí)間內(nèi)，有E=

△Φ

△t

=

△B

△t

ld．求出電路中的總電阻，根據(jù)串聯(lián)電路的特點(diǎn)求解電壓表的讀數(shù)．
（2）金屬棒進(jìn)入磁場(chǎng)后，由于電壓表的讀數(shù)不變，電路中總電流為I′=

U

R1

+

U

R2

，金屬棒所受的安培力為F_A=BI′l，此時(shí)安培力與恒力平衡．可求得恒力F．
（3）金屬棒在0-0.2s的運(yùn)動(dòng)時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量Q=

E2

R

t．金屬棒進(jìn)入磁場(chǎng)后，電路的總電阻為R′=

R1R2

R1+R2

+r，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為E′=IR′，由E′=Blv求得v，則可求出金屬棒通過磁場(chǎng)的時(shí)間t′=

d

v

．此過程中電路產(chǎn)生的熱量為Q′=E′I′t′，故得到金屬棒從AB運(yùn)動(dòng)到EF的過程中整個(gè)電路產(chǎn)生的熱量為Q_總=Q+Q′．

解答：解：（1）金屬棒在0-0.2s的運(yùn)動(dòng)時(shí)間內(nèi)，有E=

△Φ

△t

=

△B

△t

ld=

1

0.2

×0.6×0.2
V=0.6V金屬棒與電阻R₁的并聯(lián)電阻為R_并=

R1r

R1+r

=1Ω
電路中總電阻為R=

R1r

R1+r

+R2=2Ω
則電壓表的讀數(shù)為
   U=

R并

R

E=

1

2

×0.6V=0.3V
（2）金屬棒進(jìn)入磁場(chǎng)后，通過它的電流為
  I′=

U

R1

+

U

R2

=

0.3

2

+

0.3

1

（A）=0.45A
金屬棒所受的安培力為F_A=BI′l=1×0.45×0.6N=0.27N
由于金屬棒進(jìn)入磁場(chǎng)后電壓表讀數(shù)保持不變，所以金屬棒做勻速運(yùn)動(dòng)．則有
  F=F_A=0.27N
（2）金屬棒在0-0.2s的運(yùn)動(dòng)時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生的熱量為Q=

E2

R

t=

0．62

2

×0.2J=0.0.36J
金屬棒進(jìn)入磁場(chǎng)后，電路的總電阻為
  R′=

R1R2

R1+R2

+r=

8

3

Ω
  感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為E′=IR′=1.2V
由E′=Blv得，v=

E′

Bl

=

1.2

1×0.6

m/s=2m/s
則金屬棒通過磁場(chǎng)的時(shí)間為t′=

d

v

=

0.2

2

s=0.1s
則此過程中電路產(chǎn)生的熱量為Q′=E′I′t′=1.2×0.45×0.1J=0.054J
故金屬棒從AB運(yùn)動(dòng)到EF的過程中整個(gè)電路產(chǎn)生的熱量為Q_總=Q+Q′=0.09J．
答：
（1）t=0.1s時(shí)電壓表的示數(shù)是0.3V．
（2）恒力F的大小是0.27N．
（3）金屬棒從AB運(yùn)動(dòng)到EF的過程中整個(gè)電路產(chǎn)生的熱量是0.09J．

點(diǎn)評(píng)：本題是法拉第電磁感應(yīng)定律、歐姆定律、安培力等知識(shí)的綜合應(yīng)用，要搞清電路的連接方式，分析金屬棒的運(yùn)動(dòng)過程．