Question

如圖所示，P、Q為水平面內(nèi)平行放置的金屬長直導軌，間距為L₁，處在磁感應強度大小為B₁、方向豎直向下的勻強磁場中．一根質量為M、電阻為r的導體桿ef垂直于P、Q放在導軌上，導體桿ef與P、Q導軌之間的動摩擦因素為μ．在外力作用下導體桿ef向左做勻速直線運動．質量為m、每邊電阻均為r、邊長為L₂的正方形金屬框abcd置于豎直平面內(nèi)，兩頂點a、b通過細導線與導軌相連，金屬框處在磁感應強度大小為B₂、方向垂直框面向里的勻強磁場中，金屬框恰好處于靜止狀態(tài)．不計其余電阻和細導線對a、b點的作用力．求：
（1）通過ab邊的電流I_ab；
（2）導體桿ef做勻速直線運動的速度v；
（3）外力做功的功率P_外；
（4）t時間內(nèi)，導體桿ef向左移動時克服摩擦力所做的功．

Answer 1

解：（1）設通過正方形金屬框的總電流為I，ab邊的電流為I_ab，dc邊的電流為I_dc，有：
I_ab=I
I_cd=I
金屬框受重力和安培力，處于靜止狀態(tài)，有：mg=B₂I_abL₂+B₂I_dcL₂
聯(lián)立三式解得：I_ab=
故通過ab邊的電流I_ab是：I_ab=．
（2）由（1）可得：I=
設導體桿切割磁感線產(chǎn)生的電動勢為E，有：E=B₁L₁v
設ad、dc、cb三邊電阻串聯(lián)后與ab邊電阻并聯(lián)的總電阻為R，則：R=r
R與ef串聯(lián)的總電阻R_總=r+r=r
ef由于運動切割磁感線而產(chǎn)生的電動勢E=B₁L₁v
根據(jù)閉合電路歐姆定律，有：I=
聯(lián)立以上各式：=
解得：v=．
故導體桿ef的運動速度v是：．
（3）ef棒在水平方向上受到外力F、安培力、摩擦力，根據(jù)平衡條件可知
F=F_A+μMg
因為F_A=B₁IL₁=
所以外力F的功率為：
P_外=Fv=（F_A+μMg）v=+
（4）摩擦力為恒力，可以用功的定義式求解：
W_f=μMgs=μMgvt=
答：（1）通過ab邊的電流I_ab為；
（2）導體桿ef做勻速直線運動的速度v為；
（3）外力做功的功率為+；
（4）t時間內(nèi)，導體桿ef向左移動時克服摩擦力所做的功為．
分析：（1）外電路是：ad、dc、cb三邊電阻串聯(lián)后再與ab邊電阻并聯(lián)構成，豎直方向上ab邊與cd邊所受安培力均向上，根據(jù)受力平衡列方程即可求解，注意并聯(lián)電路中電流與電阻關系．
（2）根據(jù)閉合電路歐姆定律求出電源的電動勢，根據(jù)E=BLv，即可求出導體棒的速度．
（3）根據(jù)平衡條件，外力F等于安培力和摩擦力之和，求出F，用P=Fv求解．
（4）摩擦力是恒力，可以直接用功的定義式求解．
點評：本題易錯點為不能正確分析外電路的串并聯(lián)情況，從而不能正確分析安培力大小最后導致錯誤．對于電磁感應與電路的結合問題一定分析整個電路的組成情況，然后根據(jù)閉合電路的歐姆定律求解．