Question

如圖甲所示，固定于水平桌面上的金屬導(dǎo)軌abcd足夠長(zhǎng)，金屬棒ef擱在導(dǎo)軌上，可無(wú)摩擦地滑動(dòng)，此時(shí)bcfe構(gòu)成一個(gè)邊長(zhǎng)為l的正方形．金屬棒的電阻為r，其余部分的電阻不計(jì)．在t=0的時(shí)刻，導(dǎo)軌間加一豎直向下的磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化如圖乙所示．為使金屬棒ef在0-t₁保持靜止，在金屬棒ef上施加一水平拉力F，從t₁時(shí)刻起保持此時(shí)的水平拉力F不變，金屬棒ef在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)了s后剛好達(dá)到最大速度，求：
（1）在t=

t1

2

時(shí)刻該水平拉力F的大小和方向；
（2）金屬棒ef在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)的最大速度；
（3）從t=0開(kāi)始到金屬棒ef達(dá)到最大速度的過(guò)程中，金屬棒ef中產(chǎn)生的熱量．

Answer 1

分析：（1）由法拉第電磁感應(yīng)定律求出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由F=BIL求出安培力，由楞次定律判斷出感應(yīng)電流的方向，由左手定則判斷出安培力的方向，由平衡條件求出拉力大小與方向；
（2）當(dāng)拉力與安培力相等時(shí)，導(dǎo)體棒做勻速運(yùn)動(dòng)，速度達(dá)到最大，求出拉力，根據(jù)安培力公式求出導(dǎo)體棒的最大速度；
（3）由焦耳定律求出導(dǎo)體棒靜止時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱，由能量守恒定律求出導(dǎo)體棒運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的焦耳熱，然后求出整個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的焦耳熱．

解答：解：（1）

t1

2

時(shí)刻，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=

△B

△t

S=

B1l2

t1

，
導(dǎo)體棒受到的安培力F安=

B1

2

?I?l=

B1

2

?

B1l2 t1

r

?l=

B 2 1 l3

2rt1

，
由楞次定律可知，感應(yīng)電流從f流向e，由左手定則可知，導(dǎo)體棒受到的安培力向左；
由平衡條件可知，此時(shí)水平拉力F=

B 2 1 l3

2rt1

，方向水平向右；
（2）導(dǎo)體棒切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，
當(dāng)金屬棒的速度最大時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E′=B₁lv_m，
此時(shí)導(dǎo)體棒受到的安培力F安′=B1?

B1lvm

r

?l，
此時(shí)水平拉力F′=2×

B 2 1 l3

2rt1

=

B 2 1 l3

rt1

，
當(dāng)安培力與拉力合力為零時(shí)，導(dǎo)體棒做勻速直線運(yùn)動(dòng)，此時(shí)速度最大，
即：F′=F安′，

B 2 1 l3

rt1

=B1?

B1lvm

r

?l；
解得，導(dǎo)體棒的最大速度：vm=

l

t1

；
（3）金屬棒靜止時(shí)的感應(yīng)電流：

I

1

=

B1l2

rt1

，
產(chǎn)生的焦耳熱：Q1=

I

2 1

rt1=

B 2 1 l4

rt1

，
金屬棒從開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到最大速度階段，
由能量守恒定律，得：Q2=Fs-

1

2

m

v

2 m

=

B 2 1 l3

rt1

?s-

1

2

m(

l

t1

)2=

B 2 1 l3s

rt1

-

ml2

2 t 2 1

，
全過(guò)程產(chǎn)生的焦耳熱Q=Q1+Q2=

B 2 1 l3(l+s)

rt1

-

ml2

2 t 2 1

；
答：（1）在t=

t1

2

時(shí)刻該水平拉力F的大小為

B 2 1 l3

2rt1

，方向水平向右；
（2）金屬棒ef在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)的最大速度是

l

t1

；
（3）從t=0開(kāi)始到金屬棒ef達(dá)到最大速度的過(guò)程中，金屬棒ef中產(chǎn)生的熱量是

B 2 1 l3(l+s)

rt1

-

ml2

2 t 2 1

．

點(diǎn)評(píng)：導(dǎo)體棒靜止時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻變化，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是定值，感應(yīng)電流是定值，但導(dǎo)體棒受到的安培力F=-BIL是變力；導(dǎo)體棒在拉力作用下向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，做的是加速度逐漸減小的加速運(yùn)動(dòng)，最后做勻速直線運(yùn)動(dòng)，對(duì)導(dǎo)體棒正確受力分析，分析清楚導(dǎo)體棒的運(yùn)動(dòng)過(guò)程是正確解題的關(guān)鍵．