Question

11．如圖所示，兩根平行導軌固定在傾角θ=30°的斜面上，間距d=0.4m．導軌由兩部分組成，虛線MN為兩部分的分界線．MN以下導軌由金屬材料制成，其長度L=1.0m，電阻不計，底端接有一只標稱值為“2V 0.5A”的小燈泡；MN以上導軌足夠長，由絕緣材料制成．整個空間存在垂直斜面向上的勻強磁場．現將質量m=0.1kg、電阻不計的光滑導體棒從絕緣導軌上某位置由靜止釋放，當ab通過MN后小燈泡立即正常發(fā)光且亮度保持不變，直至ab離開軌道．ab在滑動過程中始終與導軌垂直且兩端與導軌保持良好接觸，取g=10m/s²，試求：
（1）ab從絕緣導軌上釋放時的位置與MN相距多遠？
（2）若有與ab相同的光滑導體棒若干，每隔多長時間釋放一根才能使小燈泡持續(xù)正常發(fā)光？該發(fā)電裝置的效率多大？

Answer 1

分析 （1）據題意，ab通過MN后小燈泡立即正常發(fā)光且亮度保持不變，說明ab滑過MN后做勻速直線運動，根據平衡條件求出ab的速度，再對ab在MN上部運動的過程，由機械能守恒求解．
（2）要使小燈泡持續(xù)正常發(fā)光，前一根導體棒剛離開導軌后一根剛通過分界線MN，由勻速直線運動的規(guī)律求時間，根據有用功與總功之比求效率．

解答 解：（1）由題意知ab滑過MN之后做勻速直線運動，根據平衡條件有
  F_安=mgsinθ
導體棒所受的安培力 F_安=BIL
ab棒的感應電動勢  E=BLv
設ab從絕緣導軌上釋放時的位置與MN相距x，由機械能守恒定律得
  mgxsinθ=$\frac{1}{2}m{v}^{2}$
聯(lián)立解得 v=2m/s，x=0.4m
（2）按題意，前一根導體棒剛離開導軌后一根剛通過分界線MN，故時間相隔
△t=$\frac{l}{v}$=0.5s           
該發(fā)電裝置的效率為
  η=$\frac{mglsinθ}{mg（x+l）sinθ}$=71.4%
答：
（1）ab從絕緣導軌上釋放時的位置與MN相距0.4m．
（2）若有與ab相同的光滑導體棒若干，每隔0.5s時間釋放一根才能使小燈泡持續(xù)正常發(fā)光，該發(fā)電裝置的效率為71.4%．

點評 本題是電磁感應與力學知識的綜合應用，關鍵是安培力的分析和計算，它是聯(lián)系力學與電磁感應的橋梁．