Question

5．如图甲所示，MN、PQ是固定于同一水平面内相互平行的粗糙长直导轨，间距L=2.0m，R是连在导轨一端的电阻，质量m=2.0Kg的导体棒ab垂直跨在导轨上，电压传感器（内阻很大，相当于理想电压表）与这部分装置相连．导轨所在空间有磁感应强度B=0.50T、方向竖直向下的匀强磁场．从t=0开始对导体棒ab施加一个水平向左的拉力，使其由静止开始沿导轨向左运动．电压传感器测出R两端的电压随时间变化的图线如图乙所示，其中OA、BC段是直线，AB之间是曲线，且BC段平行于横轴．已知从2.4s起拉力的功率P=18W保持不变．导轨和导体棒ab的电阻均可忽略不计，导体棒ab在运动过程中始终与导轨垂直，且接触良好．不计电压传感器对电路的影响．g取10m/s²．求：

（1）4.4s时导体棒产生的感应电动势大小、导体棒的速度大小；
（2）在2.4s至4.4s的时间内，该装置总共产生的热量Q；
（3）导体棒ab与导轨间的动摩擦因数μ和电阻R的值．

Answer 1

分析 （1）当感应电动势最大时，速度最大，从乙图中读出最大电压，根据E=BLv即可求解；
（2）根据E=BLv可知在0～2.4s内导体棒做匀加速直线运动，求出t₁=2.4s时导体棒的速度，在2.4s～4.4s时间内，根据功能原理即可求解；
（3）求出导体棒做匀加速运动的加速度，根据P=Fv，求出t=2.4s和4.4s时的拉力，根据牛顿第二定律、欧姆定律及安培力公式，联立方向即可求解．

解答 解：（1）设△t=4.4-2.4=2s，t=2.4s，
从乙图可知，t=4.4s时R两端的电压达到最大，U_m=2.0V，
由于导体棒内阻不计，故U_m=E_m=2.0V，
因为E_m=BLv_m，所以v_m=2.0m/s…①
（2）因为E=U=BLv，而B、L为常数，所以，在0～2.4s内导体棒做匀加速直线运动．
设导体棒在这段时间内加速度为a，t₁=2.4s时导体棒的速度为v₁，由乙图可知此时电压U₁=1.8V．
因为   E₁=U₁=BLv₁…②
所以v₁=1.8m/s     
在2.4s～4.4s时间内，根据功能原理：$\frac{1}{2}mv_1^2+P△t=\frac{1}{2}mv_m^2+Q$…③
得：Q=35.24J   
（3）导体棒做匀加速运动的加速度v₁=at₁，得a=0.75m/s²，
当t=2.4s时，设拉力为F₁，则有${F_1}=\frac{P}{v_1}=10N$，
同理，设t=4.4s时拉力为F₂，则有${F_2}=\frac{P}{v_m}=9N$，
根据牛顿第二定律有：F₁-μmg-F_f1=ma…④
F₂-μmg-F_f2=0…⑤
F_安1=BI₁L=BL$\frac{{U}_{1}}{R}$…⑥
F_安2=BI₂L=BL$\frac{{U}_{2}}{R}$…⑦
由④⑤⑥⑦代入数据可求得：R=0.4Ω，μ=0.2；
答：（1）4.4s时导体棒产生的感应电动势大小为2.0V、导体棒的速度大小为2.0m/s；
（2）在2.4s至4.4s的时间内，该装置总共产生的热量Q为35.24J；
（3）导体棒ab与导轨间的动摩擦因数μ为0.2，电阻R的值为0.4Ω．

点评 本题是电磁感应与电路、力学知识的综合，首先要识别电路的结构，把握路端电压与电动势的关系，而电动势是联系电路与电磁感应的桥梁，可得到速度的表达式；安培力是联系力与电磁感应的纽带，难度较大．