Question

10．如圖甲所示，MN、PQ是固定于同一水平面內(nèi)相互平行的粗糙長直導(dǎo)軌，間距L=2.0m，R是連在導(dǎo)軌一端的電阻，質(zhì)量m=1.0kg的導(dǎo)體棒ab垂直跨在導(dǎo)軌上，電壓傳感器（內(nèi)阻很大，相當(dāng)于理想電壓表）與這部分裝置相連．導(dǎo)軌所在空間有磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.50T、方向豎直向下的勻強(qiáng)磁場．從t=0開始對導(dǎo)體棒ab施加一個水平向左的拉力，使其由靜止開始沿導(dǎo)軌向左運動．電壓傳感器測出R兩端的電壓隨時間變化的圖線如圖乙所示，其中OA、BC段是直線，AB之間是曲線，且BC段平行于橫軸．已知從1.2s起拉力的功率P=4.5W保持不變．導(dǎo)軌和導(dǎo)體棒ab的電阻均可忽略不計，導(dǎo)體棒ab在運動過程中始終與導(dǎo)軌垂直，且接觸良好．不計電壓傳感器對電路的影響．g取10m/s²．求：

（1）2.4s時導(dǎo)體棒產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大��；
（2）2.4s時導(dǎo)體棒的速度大小；
（3）在1.2s～2.4s的時間內(nèi)，該裝置總共產(chǎn)生的熱量Q；
（4）導(dǎo)體棒ab與導(dǎo)軌間的動摩擦因數(shù)μ和電阻R的值．

Answer 1

分析 （1、2）當(dāng)感應(yīng)電動勢最大時，速度最大，從乙圖中讀出最大電壓，根據(jù)E=BLv即可求解；
（3）根據(jù)E=BLv可知在0～1.2s內(nèi)導(dǎo)體棒做勻加速直線運動，求出t₁=1.2s時導(dǎo)體棒的速度，在1.2s～2.4s時間內(nèi)，根據(jù)功能原理即可求解；
（4）求出導(dǎo)體棒做勻加速運動的加速度，根據(jù)P=Fv，求出t=1.2s和2.4s時的拉力，根據(jù)牛頓第二定律、歐姆定律及安培力公式，聯(lián)立方向即可求解．

解答 解：（1、2）從乙圖可知，t=2.4s時R兩端的電壓達(dá)到最大，U_m=1.0V，由于導(dǎo)體棒內(nèi)阻不計，故U_m=E_m=BLv_m=1.0V，
所以 ${v}_{m}=\frac{{E}_{m}}{BL}=1m/s$…①
（3）因為E=U=BLv，而B、L為常數(shù)，所以，在0～1.2s內(nèi)導(dǎo)體棒做勻加速直線運動．設(shè)導(dǎo)體棒在這段時間內(nèi)加速度為a．設(shè)t₁=1.2s時導(dǎo)體棒的速度為v₁，由乙圖可知此時電壓U₁=0.90V．
因為 E₁=U₁=BLv₁…②
所以${v}_{1}=\frac{{U}_{1}}{BL}=0.9m/s$
在1.2s～2.4s時間內(nèi)，根據(jù)功能原理
$\frac{1}{2}{{mv}_{1}}^{2}+P•△t=\frac{1}{2}{{mv}_{m}}^{2}+Q$…③
所以 Q=5.3J
（4）導(dǎo)體棒做勻加速運動的加速度
a=$\frac{{v}_{1}-0}{t}=0.75m{/s}^{2}$
當(dāng)t=1.2s時，設(shè)拉力為F₁，則有
${F}_{1}=\frac{P}{{v}_{1}}=5N$
同理，設(shè)t=2.4s時拉力為F₂，則有
${F}_{2}=\frac{P}{{v}_{m}}=4.5N$
根據(jù)牛頓第二定律有
F₁-f-F_安1=ma…④
F₂-f-F_安2=0…⑤
mg-N=0…⑥
又因為 ${F}_{安1}={BI}_{1}L=\frac{B{LU}_{1}}{R}$…⑦
${F}_{安2}={BI}_{2}L=\frac{B{LU}_{2}}{R}$…⑧
f=μN…⑨
由④⑤⑥⑦⑧⑨，代入數(shù)據(jù)可求得：
R=0.4Ω，
μ=0.2
答：（1）2.4s時導(dǎo)體棒產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢大小為1.0V；
（2）導(dǎo)體棒ab最大速度v_m的大小為1m/s；
（3）在1.2s～2.4s的時間內(nèi)，該裝置總共產(chǎn)生的熱量Q為5.3J；
（4）導(dǎo)體棒ab與導(dǎo)軌間的動摩擦因數(shù)μ為0.2；電阻R的值為0.4Ω．

點評 本題是電磁感應(yīng)與電路、力學(xué)知識的綜合，首先要識別電路的結(jié)構(gòu)，把握路端電壓與電動勢的關(guān)系，而電動勢是聯(lián)系電路與電磁感應(yīng)的橋梁，可得到速度的表達(dá)式；安培力是聯(lián)系力與電磁感應(yīng)的紐帶，難度較大．