Question

10．如圖所示，MN和PQ是兩根放在豎直面內(nèi)且足夠長的平行金屬導(dǎo)軌，相距l(xiāng)=50cm．導(dǎo)軌處在垂直紙面向里的磁感應(yīng)強度B=5T的勻強磁場中，一根電阻為r=0.1Ω的金屬棒ab可緊貼導(dǎo)軌左右運動．兩塊相互平行的，相距d=10cm、長度L=20cm的水平放置的金屬板A和C分別與兩平行導(dǎo)軌相連接，圖中跨接在兩導(dǎo)軌間的電阻R=0.4Ω，其余電阻忽略不計．已知當(dāng)金屬棒ab不運動時，質(zhì)量m=10g、帶電量q=-10^-3C的小球以某一速度v₀沿金屬板A和C的中線射入板間，恰能射出金屬板（g取10m/s²）
（1）小球的速度v₀的大��；
（2）若使小球在金屬板間不偏轉(zhuǎn)，求金屬棒ab的速度大小和方向；
（3）若要使小球能射出金屬板間，求金屬棒ab 的速度大小和方向．

Answer 1

分析 （1）當(dāng)金屬棒ab不動時，小球在金屬板間做平拋運動，根據(jù)水平位移和豎直位移，由運動學(xué)公式即可求得初速度v₀．
（2）若使小球在金屬板間不偏轉(zhuǎn)，小球在金屬板間受力必須平衡，電場力應(yīng)豎直向上，小球帶負電，可判斷出電容器極板的電性，由右手定則判斷出金屬棒ab的運動方向．根據(jù)歐姆定律得到板間電壓與感應(yīng)電動勢的關(guān)系，對于小球，根據(jù)平衡條件列式，求解即可．
（3）若要使小球能從金屬板間射出，可能從上板邊緣射出，也可能從下板邊緣射出，運用運動的分解，由牛頓第二定律和運動學(xué)公式結(jié)合求出金屬棒ab勻速運動的速度范圍．

解答 解：（1）帶電小球以AC中點以速度V₀做個平拋運動，
豎直方向：$h=\frac{1}{2}d=\frac{1}{2}g{t^2}$
得 $t=\sqrt{\frackizlseq{g}}=\sqrt{\frac{0.1}{10}}S=0.1S$
水平方向：${v_0}=\frac{L}{t}=\frac{0.2}{0.1}m/s=2m/s$
（2）欲使小球不偏轉(zhuǎn)，須小球在金屬板間受力平衡，根據(jù)題意應(yīng)使金屬棒ab切割磁感線應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而使金屬板A、C帶電，在板間產(chǎn)生勻強電場，小球所受電場大小等于小球的重力．
由于小球帶負電，電場力向上，所以電場方向向下，A板必須帶正電，金屬棒ab的a點應(yīng)為感應(yīng)電動勢的正極，根據(jù)右手定則，金屬棒ab應(yīng)向右運動
設(shè)金屬棒ab的速度為V₁，則：E=BLv₁
金屬板A、C間的電壓：U=$\frac{BL{v}_{1}}{R+r}$•R
金屬板A、C間的電場 E_場=$\frac{U}exe6kbn$
小球受力平衡：qE_場=mg
聯(lián)立以上各式解得：v₁=$\frac{mg（R+r）d}{qBLR}$=$\frac{10×1{0}^{-3}×10×（0.4+0.1）×0.1}{1{0}^{-3}×5×0.5×0.4}$=5m/s
（3）當(dāng)金屬棒ab的速度增大時，小球所受電場力大于小球的重力，小球?qū)⑾蛏献鲱惼綊佭\動，設(shè)金屬棒ab的速度達到v₂，小球恰A金屬板右邊緣飛出．
根據(jù)小球運動的對稱性，小球沿A板右邊緣飛出和小球沿C板右邊緣飛出，其運動加速度相同，
故有：qE_場-mg=mg
根據(jù)上式中結(jié)果得到：v₂=2$\frac{mg（R+r）d}{qBLR}$=2v₁=10m/s
所以若小球能射出金屬板間，則金屬棒ab的速度大小：0≤v≤10m/s，方向向右．
答：（1）小球的速度v₀的大小2m/s；
（2）金屬棒ab的速度大小5m/s和方向向右；
（3）若要使小球能射出金屬板間，金屬棒ab 的速度大小0≤v≤10m/s和方向向右．

點評 本題是平拋運動、電磁感應(yīng)和類平拋運動、電路的綜合，類平拋運動、平拋運動的研究方法相似：運動的合成和分解．但要注意加速度的區(qū)別，類平拋運動的加速度不是g，應(yīng)根據(jù)牛頓第二定律求出．