Question

【題目】如圖所示，豎直平面內(nèi)有一半徑為r、電阻為R1、粗細(xì)均勻的光滑半圓形金屬環(huán)，在M、N處與距離為2r、電阻不計(jì)的平行光滑金屬導(dǎo)軌ME、NF相接，EF之間接有電阻R2，已知R1=12R，R2=4R。在MN上方及CD下方有水平方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)I和II，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B。現(xiàn)有質(zhì)量為m、電阻不計(jì)的導(dǎo)體棒ab，從半圓環(huán)的最高點(diǎn)A處由靜止下落，在下落過程中導(dǎo)體棒始終保持水平，與半圓形金屬環(huán)及軌道接觸良好，設(shè)平行導(dǎo)軌足夠長(zhǎng)。已知導(dǎo)體棒下落r/2時(shí)的速度大小為v1，下落到MN處時(shí)的速度大小為v2。

（1）求導(dǎo)體棒ab從A處下落時(shí)的加速度大��；

（2）若導(dǎo)體棒ab進(jìn)入磁場(chǎng)II后棒中電流大小始終不變，求磁場(chǎng)I和II這間的距離h和R2上的電功率P2；

（3）若將磁場(chǎng)II的CD邊界略微下移，導(dǎo)體棒ab進(jìn)入磁場(chǎng)II時(shí)的速度大小為v3，要使其在外力F作用下做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，加速度大小為a，求所加外力F隨時(shí)間變化的關(guān)系式。

Answer 1

【答案】（1）（2）（3）。

【解析】試題分析：（1）以導(dǎo)體棒為研究對(duì)象，棒在磁場(chǎng)I中切割磁感線，棒中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，導(dǎo)體棒ab從A下落r/2時(shí)，導(dǎo)體棒在重力與安培力作用下做加速運(yùn)動(dòng)，由牛頓第二定律，得：，

式中，

且由各式可得到

（2）當(dāng)導(dǎo)體棒ab通過磁場(chǎng)II時(shí)，若安培力恰好等于重力，棒中電流大小始終不變，即

， 式中

解得：

導(dǎo)體棒從MN到CD做加速度為g的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，

有，得：

此時(shí)導(dǎo)體棒重力的功率為：

根據(jù)能量守恒定律，此時(shí)導(dǎo)體棒重力的功率全部轉(zhuǎn)化為電路中的電功率，即：

所以：

（3）設(shè)導(dǎo)體棒ab進(jìn)入磁場(chǎng)II后經(jīng)過時(shí)間t的速度大小為，

此時(shí)安培力大小為：

由于導(dǎo)體棒ab做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，

有根據(jù)牛頓第二定律，有

即：

由以上各式解得