Question

【题目】某同学利用电磁感应知识设计了一个测速仪。其简化模型如图所示，间距为L的两根水平固定放置的平行光滑的金属导轨MN、PQ，导轨的右端连接一个定值电阻，阻值为R，导体棒a垂直导轨放置在导轨上，在a棒左侧和导轨间存在竖直向下的匀强磁场，磁感应强度为B，在a棒右侧有一绝缘棒b，b棒与固定在墙上的轻弹簧相连但不粘连，弹簧处于压缩状态且被锁定。现解除锁定，b棒在弹簧的作用下向左移动，脱离弹簧后以速度v0与a棒发生碰撞粘在一起。已知a、b棒的质量分别为m、M，碰撞前后，棒始终垂直导轨，a棒在导轨间的电阻为r，导轨电阻和空气阻力均忽略不计。求：

（1）弹簧的弹性势能和a棒中电流的方向；

（2）从a棒开始运动到停止过程中，a棒产生的焦耳热Q；

（3）若a棒向左滑行的距离为x，通过定值电阻的电量q；

（4）在满足（3）的条件下，a棒向左滑行距离x与b棒的速度v0的函数关系式。

Answer 1

【答案】（1）从上端流向下端（2）（3）（4）

【解析】（1）对b棒由能量守恒定律，得弹簧的弹性势能

由右手定则知，a棒中电流的方向：从上端流向下端

（2）b棒与a棒相碰撞时，由动量守恒定律知

又电路产生的总热量为

a棒产生的焦耳热

联立得

（3）若a棒向左滑行的距离为x，则通过定值电阻的电量

得

（4）对a棒向左滑动的过程中，由牛顿第二定律知

又，

联立得

两边求和得

得

代入，得