Question

【題目】【加試題】如圖所示，間距為L、光滑的足夠長(zhǎng)的金屬導(dǎo)軌(金屬導(dǎo)軌的電阻不計(jì))所在斜面傾角為，兩根同材料、長(zhǎng)度均為L、橫截面均為圓形的金屬棒 CD、PQ放在斜面導(dǎo)軌上，已知CD棒的質(zhì)量為、電阻為R，PQ棒的圓截面的半徑是CD棒圓截面的2倍．磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直于導(dǎo)軌所在平面向上，兩根勁度系數(shù)均為、相同的彈簧一端固定在導(dǎo)軌的下端，另一端連著金屬棒CD．開(kāi)始時(shí)金屬棒CD靜止，現(xiàn)用一恒力平行于導(dǎo)軌所在平面向上拉金屬棒PQ，使金屬棒PQ由靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，當(dāng)金屬棒PQ達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，彈簧的形變量與開(kāi)始時(shí)相同．已知金屬棒PQ開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到穩(wěn)定的過(guò)程中通過(guò)CD棒的電荷量為q，此過(guò)程可以認(rèn)為CD棒緩慢地移動(dòng)，已知題設(shè)物理量符合的關(guān)系式，求此過(guò)程中(要求結(jié)果均用來(lái)表示)：

（1）CD棒移動(dòng)的距離；

（2）PQ棒移動(dòng)的距離；

（3）恒力所做的功．

Answer 1

【答案】（1）；（2）；（3）

【解析】PQ棒的半徑是CD棒的2倍，PQ棒的橫截面積是CD棒橫截面積的4倍，PQ棒的質(zhì)量是CD棒的質(zhì)量的4倍，所以，PQ棒的質(zhì)量，由電阻定律可知PQ棒的電阻是CD棒電阻的即，兩棒串聯(lián)的總電阻為

（1）開(kāi)始時(shí)彈簧是壓縮的，當(dāng)向上的安培力增大時(shí)，彈簧的壓縮量減小，安培力等于CD棒重力平行于斜面的分量時(shí)，彈簧恢復(fù)到原長(zhǎng)，安培力繼續(xù)增大，彈簧伸長(zhǎng)，由題意可知，當(dāng)彈簧的伸長(zhǎng)量等于開(kāi)始的壓縮量時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)的彈力與原來(lái)的彈力大小相等、方

向相反．兩彈簧向上的彈力等于CD棒重力平行于斜面的分量．

即，彈簧的形變量為

CD棒移動(dòng)的距離

（2）在達(dá)到穩(wěn)定過(guò)程中兩棒之間距離增大，由兩金屬棒組成的閉合回路中的磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為:

感應(yīng)電流為:

所以，回路中通過(guò)的電荷量即CD棒中的通過(guò)的電荷量為:

由此可得兩棒距離增大值:

PQ棒沿導(dǎo)軌上滑距離應(yīng)為CD棒沿斜面上滑距離和兩棒距離增大值之和

PQ棒沿導(dǎo)軌上滑距離為:

（3）CD棒受力平衡，安培力為．

金屬棒PQ達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，它受到的合外力為零，向上的恒力等于向下的安培力和重力平行于斜面的分量，

即恒力

恒力做功為