Question

6．如圖甲所示，固定在水平面上電阻不計的光滑金屬導軌，間距d=5m，導軌右端連接一阻值為R=4Ω的小燈泡L．在CDEF矩形區(qū)域內(nèi)有豎直向上的勻強磁場，磁感應強度B隨時間t變化如圖乙所示，CF長為2m．在t=0時刻，電阻為1Ω的金屬棒ab在水平恒力F作用下，由靜止開始沿導軌向右運動．金屬棒從圖中位置運動到EF位置的整個過程中，小燈泡的亮度始終沒有發(fā)生變化．求：
（1）通過小燈泡的電流強度；
（2）恒力F的大�。�         
（3）金屬棒的質(zhì)量．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)法拉第電磁感應定律求出0-4s內(nèi)電路中產(chǎn)生的感應電動勢，求出感應電流．因為小燈泡的亮度始終沒有發(fā)生變化，則此電流即為通過小燈泡的電流強度；
（2）由于燈泡亮度不變，可知在t=4s末金屬棒剛好進入磁場時應做勻速運動，此時金屬棒電流等于燈泡中電流，恒力與安培力大小相等．
（3）金屬棒切割磁感線產(chǎn)生的感應電動勢等于0-4s內(nèi)電路中產(chǎn)生的感應電動勢，由E=Bdv可求出在磁場中的速度，由運動學公式和牛頓第二定律結(jié)合可求出棒的質(zhì)量．

解答 解：（1）金屬棒未進入磁場，電路總電阻  R_總=R+R_ab=5Ω
回路中感應電動勢為：E₁=$\frac{△Φ}{△t}$=$\frac{△B}{△t}$S=$\frac{0.2}{4}$×5×2V=0.5V       
燈炮中的電流強度為：I_L=$\frac{{E}_{1}}{{R}_{總}}$=0.1A                 
（2）因燈泡亮度不變，故在t=4s末金屬棒剛好進入磁場，且做勻速運動，此時金屬棒中的電流強度：I=I_L=0.1A             
恒力大�。篎=F_A=BId=0.1N           
（3）因燈泡亮度不變，所以金屬棒進入磁場時做勻速直線運動，磁場的B剛好開始不變，金屬棒產(chǎn)生的感應電動勢保持不變，則 E₂=E₁=0.5V    
由E₂=Bdv，得金屬棒在磁場中的速度：v=$\frac{{E}_{2}}{Bd}$=$\frac{0.5}{0.2×5}$m/s=0.5m/s
金屬棒未進入磁場的加速度為：a=$\frac{v}{t}$=$\frac{0.5}{4}$=0.125m/s²；
故由F=ma，得金屬棒的質(zhì)量為：m=$\frac{F}{a}$=0.8kg
答：
（1）通過小燈泡的電流強度為0.1A；
（2）恒力F的大小為0.1N；
（3）金屬棒的質(zhì)量為0.8kg．

點評 本題的突破口是小燈泡的亮度始終沒有發(fā)生變化，來分析電路中電動勢和電流，抓住兩個階段這兩個量的關(guān)系進行研究．