Question

3．如圖所示，兩根豎直固定的足夠長(zhǎng)的金屬導(dǎo)軌cd和ef相距L=0.2m，另外兩根水平金屬桿MN和PQ的質(zhì)量均為m=2×10^-2kg，可沿導(dǎo)軌無(wú)摩擦地滑動(dòng)，MN桿和PQ桿的電阻均為R=0.1Ω（豎直金屬導(dǎo)軌電阻不計(jì)），PQ桿放置在水平絕緣平臺(tái)上，整個(gè)裝置處于勻強(qiáng)磁場(chǎng)內(nèi)，磁場(chǎng)方向垂直于導(dǎo)軌平面向里，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=1.0T．現(xiàn)讓MN桿在恒定拉力作用下由靜止開(kāi)始向上加速運(yùn)動(dòng)，已知MN桿達(dá)到最大速度時(shí)，PQ桿對(duì)絕緣平臺(tái)的壓力恰好為零．（g取10m/s²）求：
（1）當(dāng)MN桿的最大速度V_m為多少？
（2）若將PQ桿固定，讓MN桿在豎直向上的恒定拉力F=2N的作用下由靜止開(kāi)始向上運(yùn)動(dòng)．若桿MN發(fā)生的位移為h=1.8m時(shí)達(dá)到最大速度．求最大速度和加速時(shí)間．

Answer 1

分析 （1）據(jù)題MN桿的速度達(dá)到最大時(shí)，PQ桿對(duì)平臺(tái)的壓力為零，只受重力和安培力，二力平衡，列式求出電路中的電流，由閉合電路歐姆定律求得MN桿產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由公式E=BLv求出MN桿的最大速度；
（2）對(duì)MN棒由受力平衡求出最大速度，加速過(guò)程取很短時(shí)間△t對(duì)MN根據(jù)牛頓第二定律列式，由微元法求出t

解答 解：（1）最大速度時(shí)PQ桿受力平衡有：BIL=mg
由閉合電路歐姆定律得：E=I•2R
MN桿切割磁感線，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)為：$E=BL{v}_{m}^{\;}$
聯(lián)立得最大速度為：${v}_{m}^{\;}=\frac{2mgR}{{B}_{\;}^{2}{L}_{\;}^{2}}=\frac{2×2×1{0}_{\;}^{-2}×10×0.1}{{1}_{\;}^{2}×0．{2}_{\;}^{2}}$=1m/s
（2）當(dāng)速度最大時(shí)，加速度為0，設(shè)最大速度為v
感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=BLv
感應(yīng)電流$I=\frac{BLv}{2R}$
安培力：${F}_{安}^{\;}=BIL=\frac{{B}_{\;}^{2}{L}_{\;}^{2}v}{2R}$
對(duì)MN：$F-mg-\frac{{B}_{\;}^{2}{L}_{\;}^{2}v}{2R}=0$
代入數(shù)據(jù)：$2-2×1{0}_{\;}^{-2}×10-\frac{{1}_{\;}^{2}×0．{2}_{\;}^{2}v}{0.2}=0$
解得：v=9m/s
設(shè)經(jīng)很短時(shí)間△t，對(duì)MN由牛頓第二定律，有：
$F-mg-\frac{{B}_{\;}^{2}{L}_{\;}^{2}v}{2R}=ma$
$a=\frac{△v}{△t}$
即：$F-mg-\frac{{B}_{\;}^{2}{L}_{\;}^{2}v}{2R}=m\frac{△v}{△t}$
$（F-mg）△t-\frac{{B}_{\;}^{2}{L}_{\;}^{2}v△t}{2R}=m△v$
兩邊求和：$1.8t-0.2×1.8=2×1{0}_{\;}^{-2}×9$
解得：t=0.3s
答：（1）當(dāng)MN桿的最大速度V_m為1m/s
（2）若將PQ桿固定，讓MN桿在豎直向上的恒定拉力F=2N的作用下由靜止開(kāi)始向上運(yùn)動(dòng)．若桿MN發(fā)生的位移為h=1.8m時(shí)達(dá)到最大速度．最大速度9m/s和加速時(shí)間0.3s．

點(diǎn)評(píng) 解決本題的關(guān)鍵通過(guò)物體的受力判斷物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，知道當(dāng)加速度為零時(shí)，速度最大．能運(yùn)用電磁感應(yīng)與力學(xué)知識(shí)結(jié)合解答．