Question

2．如圖所示，兩根足夠長(zhǎng)且平行的光滑金屬導(dǎo)軌與水平面成53°夾角固定放置，導(dǎo)軌間連接一阻值為6Ω的電阻R，導(dǎo)軌電阻忽略不計(jì)．在兩平行虛線m、n間有一與導(dǎo)軌所在平面垂直、磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)．導(dǎo)體棒a的質(zhì)量為m_a=0.4kg，電阻R_a=3Ω；導(dǎo)體棒b的質(zhì)量為m_b=0.1kg，電阻R_b=6Ω；它們分剮垂直導(dǎo)軌放置并始終與導(dǎo)軌接觸良好．a(chǎn)、b從開始相距L₀=0.5m處同時(shí)由靜止開始釋放，運(yùn)動(dòng)過程中它們都能勻速穿過磁場(chǎng)區(qū)域，當(dāng)b剛穿出磁場(chǎng)時(shí)，a正好進(jìn)入磁場(chǎng)（g取10m/s²，不計(jì)a、b之間電流的相互作用）．下面說法正確的是（　�。�

• A． 當(dāng)a、b分別穿越磁場(chǎng)的過程中，通過R的電荷量之比為3：1
• B． 在穿越磁場(chǎng)的過程中，a、b兩導(dǎo)體棒勻速運(yùn)動(dòng)的速度大小之比為3：l
• C． 磁場(chǎng)區(qū)域沿導(dǎo)軌方向的寬度d=0.25 m
• D． 在整個(gè)過程中，產(chǎn)生的總焦耳熱為1J

Answer 1

分析 導(dǎo)體棒進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)切割磁感線，從而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電路出現(xiàn)感應(yīng)電流，由法拉第電磁感應(yīng)定律與閉合電路歐姆定律，可推出通過導(dǎo)體棒的電量表達(dá)式：q=$\frac{△Φ}{{R}_{總}(cāng)}$，即可求得電荷量之比．
兩棒勻速穿越磁場(chǎng)的過程中，安培力等于重力沿斜面向下的分力．a(chǎn)棒勻速通過時(shí)，a棒相當(dāng)于電源，求出總電阻，b棒勻速通過時(shí)，b棒相當(dāng)于電源，求出總電阻．根據(jù)平衡條件得到BIL=$\frac{{B}^{2}{L}^{2}v}{{R}_{總}(cāng)}$=mgsinθ，即可求出速度之比．
當(dāng)b棒到達(dá)m時(shí)，兩棒的速度相等，設(shè)b棒通過磁場(chǎng)的時(shí)間為t，則a棒到達(dá)m的速度v_a=v_b+gsin53°t，又d=v_bt，根據(jù)兩棒勻速運(yùn)動(dòng)的速度關(guān)系，求出兩桿速度，再根據(jù)速度位移公式，可求出m點(diǎn)到n點(diǎn)的距離．
在a穿越磁場(chǎng)的過程中，因a棒切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流，可求出對(duì)應(yīng)的安培力做功，同理b棒切割磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而求出安培力做功，則兩棒整個(gè)過程中，產(chǎn)生的總焦耳熱為兩者之比．

解答 解：A、由q=$\overline{I}$△t，$\overline{I}$=$\frac{\overline{E}}{{R}_{總}(cāng)}$，$\overline{E}$=$\frac{△Φ}{△t}$，得通過導(dǎo)體棒的電荷量q_總=$\frac{△Φ}{{R}_{總}(cāng)}$．
在b穿越磁場(chǎng)的過程中，b是電源，a與R是外電路，電路的總電阻R_總1=R_b+$\frac{R{R}_{a}}{R+{R}_{a}}$=8Ω，
通過R的電荷量為q_Rb=$\frac{1}{3}$q_總b=$\frac{1}{3}$•$\frac{△Φ}{{R}_{總1}}$
同理a棒在磁場(chǎng)中勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)R_總2=6Ω，
通過R的電荷量為q_Ra=$\frac{1}{2}$q_總a=$\frac{1}{2}$•$\frac{△Φ}{{R}_{總2}}$
可得：q_Ra：q_Rb=2：1，故A錯(cuò)誤．
B、設(shè)b在磁場(chǎng)中勻速運(yùn)動(dòng)的速度大小為v_b，則b中的電流I_b=$\frac{BL{v}_}{{R}_{總1}}$
由平衡條件得：$\frac{{B}^{2}{L}^{2}{v}_}{{R}_{總1}}$=m_bgsin53°
同理a棒在磁場(chǎng)中勻速運(yùn)動(dòng)時(shí) $\frac{{B}^{2}{L}^{2}{v}_{a}}{{R}_{總2}}$=m_agsin53°
可得v_a：v_b=3：1，故B正確．
C、設(shè)a、b穿越磁場(chǎng)的過程中的速度分別為v_a和v_b，由題意得：v_a=v_b+gsin53°t
在勻速穿過磁場(chǎng)的過程中，有d=v_bt
因?yàn)?${v}_{a}^{2}$-${v}_^{2}$=2gsin53°•l₀；
解得：d=0.25m
D、安培力大小F_安a=m_agsin53°，
安培力做功：W_a=m_agdsin53°=0.8J
同理W_b=m_bgdsin53°=0.2J  
在整個(gè)過程中，電路中共產(chǎn)生多少焦耳熱Q=W_a+W_b=1J，故D正確．
故選：BCD．

點(diǎn)評(píng) 解決本題的關(guān)鍵能夠正確地對(duì)a、b棒進(jìn)行受力分析，根據(jù)受力情況判斷物體的運(yùn)動(dòng)情況．以及知道在勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，安培力等于重力沿斜面方向的分力．