Question

如圖所示，兩平行的光滑金屬導(dǎo)軌安裝在一傾角為α的光滑絕緣斜面上，導(dǎo)軌間距為L，電阻忽略不計(jì)且足夠長，一寬度為d的有界勻強(qiáng)磁場垂直于斜面向上，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B．另有一長為2d的絕緣桿將一導(dǎo)體棒和一邊長為d（d＜L）的正方形線框連在一起組成的固定裝置，總質(zhì)量為m，導(dǎo)體棒中通有大小恒為I的電流．將整個(gè)裝置置于導(dǎo)軌上，開始時(shí)導(dǎo)體棒恰好位于磁場的下邊界處．由靜止釋放后裝置沿斜面向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)線框的下邊運(yùn)動(dòng)到磁場的上邊界MN處時(shí)裝置的速度恰好為零．重力加速度為g．

（1）求剛釋放時(shí)裝置的加速度大��；

（2）求這一過程中線框中產(chǎn)生的熱量；

（3）在圖b中定性地畫出整個(gè)裝置向上運(yùn)動(dòng)過程中的速度﹣時(shí)間（v﹣t）圖象（不需要表示坐標(biāo)）；

（4）之后裝置將向下運(yùn)動(dòng)，然后向上運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過若干次往返后，最終整個(gè)裝置將在斜面上作穩(wěn)定的往復(fù)運(yùn)動(dòng)．求穩(wěn)定后裝置運(yùn)動(dòng)的最高位置與最低位置之間的距離．

Answer 1

考點(diǎn)：

導(dǎo)體切割磁感線時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢；電磁感應(yīng)中的能量轉(zhuǎn)化．.
專題：	電磁感應(yīng)——功能問題．
分析：	（1）裝置受重力、支持力和安培力作用，向上加速運(yùn)動(dòng)，由牛頓第二定律求解加速度； （2）從釋放裝置到線框的下邊運(yùn)動(dòng)到磁場的上邊界MN過程中，用動(dòng)能定理可求線框所受安培力對線框做功的大小為W，此功的數(shù)值等于線框中產(chǎn)生的熱量； （3）第一段，初速度為零的勻加速運(yùn)動(dòng)；第二段，加速度比第一段小的勻減速運(yùn)動(dòng)；第三段，加速度減小的減速運(yùn)動(dòng)，最終速度為零）； （4）裝置往復(fù)運(yùn)動(dòng)的最高位置：線框的上邊位于磁場的下邊界，此時(shí)金屬棒距磁場上邊界d；往復(fù)運(yùn)動(dòng)到最低位置時(shí)，金屬棒在磁場內(nèi)，設(shè)距離上邊界x，根據(jù)棒所受安培力做功等于裝置的重力做功建立聯(lián)系，列方程求解．
解答：	解：（1）裝置受重力、支持力和安培力作用，沿導(dǎo)軌向上加速運(yùn)動(dòng)，由牛頓第二定律得：ma=BIL﹣mgsinθ， 可得：a=﹣gsinθ （2）設(shè)裝置由靜止釋放到線框的下邊運(yùn)動(dòng)到磁場的上邊界MN的過程中，線框所受安培力對線框做功的大小為W，根據(jù)動(dòng)能定理有： 0﹣0=BIL•d﹣mgsinθ•4d﹣W 解得：W=BILd﹣4mgdsinθ 線框中產(chǎn)生的熱量：Q=W=BILd﹣4mgdsinθ （3）答案見圖（三段運(yùn)動(dòng)圖象各（1分）：第一段，初速度為零的勻加速運(yùn)動(dòng)；第二段，加速度比第一段小的勻減速運(yùn)動(dòng)；第三段，加速度減小的減速運(yùn)動(dòng)，最終速度為零） （4）裝置往復(fù)運(yùn)動(dòng)的最高位置：線框的上邊位于磁場的下邊界，此時(shí)金屬棒距磁場上邊界d；往復(fù)運(yùn)動(dòng)到最低位置時(shí)，金屬棒在磁場內(nèi)，設(shè)距離上邊界x， mgsinθ•（x+d）=BIL•x 得：x= 最高位置與最低位置之間的距離為：x+d= 答：（1）求剛釋放時(shí)裝置加速度的大小為﹣gsinθ （2）求這一過程中線框中產(chǎn)生的熱量為BILd﹣4mgdsinθ （3）整個(gè)裝置向上運(yùn)動(dòng)過程中的速度﹣時(shí)間（v﹣t）圖象如圖所示； （4）穩(wěn)定后裝置運(yùn)動(dòng)的最高位置與最低位置之間的距離為．
點(diǎn)評(píng)：	注意當(dāng)線框在磁場中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電流時(shí)，安培力做功從而產(chǎn)生熱量．該題考查了動(dòng)能定理以及微元法在磁場中的運(yùn)用，微元法思想的滲透對加深學(xué)生對物理概念、物理規(guī)律的理解，提高解決物理問題的能力有很大的幫助．該題難度很大，涉及的知識(shí)點(diǎn)比較多，對同學(xué)們的能力要求很高，屬于難題．