Question

如圖所示，兩根足夠長且平行的光滑金屬導軌與水平面成53°固定放置，導軌間連接一阻值為4Ω的電阻R，導軌電阻忽略不計．在兩平行虛線L₁、L₂間有一與導軌所在平面垂直、磁感應強度為B的勻強磁場，磁場區(qū)域的寬度為d=0.5m．導體棒a的質(zhì)量為m_a=0.6kg，電阻R_a=4Ω；導體棒b的質(zhì)量為m_b=0.2kg，電阻R_b=12Ω；它們分別垂直導軌放置并始終與導軌接觸良好．現(xiàn)從圖中的M、N處同時將它們由靜止開始釋放，運動過程中它們都能勻速穿過磁場區(qū)域，當b剛穿出磁場時，a正好進入磁場（g取10m/s²，sin53°=0.8，且不計a、b之間電流的相互作用）．求：
（1）在整個過程中，a、b兩導體棒分別克服安培力做的功；
（2）在a穿越磁場的過程中，a、b兩導體棒上產(chǎn)生的焦耳熱之比；
（3）在穿越磁場的過程中，a、b兩導體棒勻速運動的速度大小之比；
（4）M點和N點之間的距離．

Answer 1

【答案】分析：（1）導體棒進入磁場都能做勻速直線運動，安培力等于重力沿斜面方向的分力，分別求出a、b兩棒克服安培力的功．
（2）在a穿越磁場的過程中，a棒相當于電源，b棒與電阻R并聯(lián)，求出通過a、b棒的電流比，根據(jù)Q=I²Rt，求出兩棒產(chǎn)生的熱量比．
（3）兩棒勻速穿越磁場的過程中，安培力等于重力的分力．a(chǎn)棒勻速通過時，a棒相當于電源，求出總電阻，b棒勻速通過時，b棒相當于電源，求出總電阻．根據(jù)BIL==mgsinθ，求出速度比．
（4）當b棒到達L1時，兩棒的速度相等，設(shè)b棒通過磁場的時間為t，則a棒到達L1的速度v_a=v_b+gsin53°t，又d=v_bt，根據(jù)兩棒勻速運動的速度關(guān)系，求出兩速度，再根據(jù)v²=2gsin53°S，求出兩棒到M點、N點到L₁的距離，從而可得M點和N點之間的距離．
解答：解：（1）根據(jù)在磁場中運動受力平衡得：F_安a=m_agsin53°
a棒克服安培力做的功為：W_a=m_agdsin53°=2.4J．
同理 W_b=m_bgdsin53°=0.8J
（2）在a穿越磁場的過程中，a是電源，b與R是外電路，I_a=I_b+I_R
I_bR_b=I_RR，，
所以，則
（3）設(shè)b在磁場中勻速運動的速度大小為v_b，則b中的電流
電路的總電阻R_總1=14Ω
根據(jù)受力平衡得：
同理a棒在磁場中勻速運動時R_總2=7Ω
．
可得v_a：v_b=3：2
（4）由題意得：v_a=v_b+gsin53°t，d=v_bt
因為v²=2gsin53°S
可得M點、N點到L₁的距離分別為S_a=m，S_b=m，
S_MN=．
點評：解決本題的關(guān)鍵能夠正確地對a、b棒進行受力分析，根據(jù)受力情況判斷物體的運動情況．以及知道在勻速運動時，安培力等于重力沿斜面方向的分力．