Question

如圖所示，光滑金屬導體ab和cd水平固定，相交于O點并接觸良好，∠aOc=60°．一根輕彈簧一端固定，另一端連接一質(zhì)量為m的導體棒ef，ef與ab和cd接觸良好．彈簧的軸線與∠bOd平分線重合．虛線MN是磁感應強度大小為B、方向豎直向下的勻強磁場的邊界線，距O點距離為L．a(chǎn)b、cd、ef單位長度的電阻均為r．現(xiàn)將彈簧壓縮，t=0時，使ef從距磁場邊界處由靜止釋放，進入磁場后剛好做勻速運動，當ef到達O點時，彈簧剛好恢復原長，并與導體棒ef分離．已知彈簧形變量為x時，彈性勢能為，k為彈簧的勁度系數(shù)．不計感應電流之間的相互作用．
（1）證明：導體棒在磁場中做勻速運動時，電流的大小保持不變；
（2）求導體棒在磁場中做勻速運動的速度大小v和彈簧的勁度系數(shù)k；
（3）求導體棒最終停止位置距O點的距離．

Answer 1

【答案】分析：（1）設速度為v，求解出電流的一般表達式分析即可；
（2）先根據(jù)棒加速過程中機械能守恒列式，再根據(jù)勻速過程受力平衡列式，聯(lián)立后解方程組即可；
（3）從O點開始只受安培力，根據(jù)牛頓第二定律求出加速度的一般表達式，然后兩邊同時乘以時間間隔，最后將各個微元相加就可以得到結(jié)論．
解答：解：（1）設勻速直線運動的速度為v，ef有效切割長度為l，則電流：，由于v不變，所以I不變．
（2）由能量守恒，得：
設彈簧形變量為x，由平衡條件，得：2BIxtan30°=kx
解得 v₀ = k=
（3）ef越過O點后，與彈簧脫離，設導體棒最終停止位置距O點的距離為x，某時刻回路中ef有效切割長度為L₁，ef的速度為v，加速度為a，電流為I，據(jù)牛頓第二定律，得：-BIL₁=ma
電流 I== 得：-=ma
取一小段時間△t，速度微小變化為△v，回路面積微小增加為△S，則-△t=ma△t
即：-∑△t=∑ma△t
-∑L₁v△t=m∑a△t
-∑△S=m∑△v
-x²tan30°=0-mv
將 v=代入，得：
x ₀=
答：（1）導體棒在磁場中做勻速運動時，電流的大小保持不變；
（2）導體棒在磁場中做勻速運動的速度大小為，彈簧的勁度系數(shù)k為；
（3）導體棒最終停止位置距O點的距離為．
點評：本題關鍵分析清楚導體棒的運動情況，同時要結(jié)合機械能守恒定律和牛頓第二定律列式分析；對于第三問，要采用微元法解題，較難！