Question

5．如图甲所示，MN、PQ为间距L=0.5m足够长的平行导轨，NQ⊥MN，导轨的电阻均不计．导轨平面与水平面间的夹角θ=37°，NQ间连接有一个R=4Ω的电阻．有一匀强磁场垂直于导轨平面且方向向上，磁感应强度为B₀=1T，将一根质量为m=0.05kg的金属棒ab紧靠NQ放置在导轨上，且与导轨接触良好．现由静止释放金属棒，当金属棒滑行至cd处时达到稳定速度，已知在此过程中通过金属棒截面的电量q=0.2C，且金属棒的加速度a与速度v的关系如图乙所示，设金属棒沿导轨向下运动过程中始终与NQ平行．（取g=10m/s²，sin37°=0.6，cos37°=0.8）求：
（1）金属棒与导轨间的动摩擦因数μ和cd离NQ的距离S
（2）金属棒滑行至cd处的过程中，电阻R上产生的热量
（3）若将金属棒滑行至cd处的时刻记作t=0，从此时刻起，让磁感应强度逐渐减小，为使金属棒中不产生感应电流，则磁感应强度B应怎样随时间t变化（写出B与t的关系式）

Answer 1

分析 （1）当刚释放时，导体棒中没有感应电流，所以只受重力、支持力与静摩擦力，由牛顿第二定律可求出动摩擦因数．
当金属棒速度稳定时，则受到重力、支持力、安培力与滑动摩擦力达到平衡，这样可以列出安培力公式，产生感应电动势的公式，再由闭合电路殴姆定律，列出平衡方程可求出金属棒的内阻，从而利用通过棒的电量来确定发生的距离．
（2）金属棒滑行至cd处的过程中，由动能定理可求出安培力做的功，而由于安培力做功导致电能转化为热能．
（3）要使金属棒中不产生感应电流，则穿过线框的磁通量不变．同时棒受到重力、支持力与滑动摩擦力做匀加速直线运动．从而可求出磁感应强度B应怎样随时间t变化的．

解答 解：（1）刚释放金属棒时结合图象由牛顿第二定律有：
mgsinθ-μmgcosθ=ma
解得：μ=0.5
结合图象分析得知：当速度为v=2m/s时，a=0金属棒达到稳定速度处于平衡状态．
对金属棒由平衡方程有：mgsinθ=F_A+μmcosθ
F_A=B₀IL
由闭合电路欧姆定律有：I=$\frac{E}{R+r}$
E=B₀Lv
解得：r=1Ω
q=It=$\frac{△∅}{R+r}$=$\frac{{B}_{0}Ls}{R+r}$
解得：s=2m
（2）金属棒从静止滑行至cd处的过程中由动能定理有：
mgssinθ-μmgscosθ-W_A=$\frac{1}{2}m{v}^{2}-0$
由能量守恒定律有：Q=W_A=0.1J
由能量分配关系有：Q_R=$\frac{R}{R+r}Q$=$\frac{4}{5}Q$=0.08J
（3）当回路中总磁通量不变时，回路中无感应电流，金属棒做匀加速运动，
由牛顿第二定律有：mgsinθ-μmgcosθ=ma
代入数据解得：a=2m/s²
磁通量关系为：B₀Ls=BL[（vt+$\frac{1}{2}$at²）+s]
解得：B=$\frac{2}{2+2t+{t}^{2}}$
答：（1）金属棒与导轨间的动摩擦因数0.5和cd离NQ的距离2m；
（2）金属棒滑行至cd处的过程中，电阻R上产生的热量0.08J；
（3）则磁感应强度B随时间t变化关系式为B=$\frac{2}{2+2t+{t}^{2}}$．

点评 本题考查了牛顿运动定律、闭合电路殴姆定律，安培力公式、感应电动势公式，还有动能定理．同时当金属棒速度达到稳定时，则一定是处于平衡状态，原因是安培力受到速度约束的．还巧妙用磁通量的变化去求出面积从而算出棒的距离．最后线框的总磁通量不变时，金属棒中不产生感应电流是解题的突破点．