Question

如圖1所示，兩根間距為l₁的平行導(dǎo)軌PQ和MN處于同一水平面內(nèi)，左端連接一阻值為R的電阻，導(dǎo)軌平面處于豎直向上的勻強磁場中．一質(zhì)量為m、橫截面為正方形的導(dǎo)體棒CD垂直于導(dǎo)軌放置，棒到導(dǎo)軌左端PM的距離為l₂，導(dǎo)體棒與導(dǎo)軌接觸良好，不計導(dǎo)軌和導(dǎo)體棒的電阻．

（1）若CD棒固定，已知磁感應(yīng)強度B的變化率隨時間t的變化關(guān)系式為，求回路中感應(yīng)電流的有效值I；
（2）若CD棒不固定，棒與導(dǎo)軌間最大靜摩擦力為f_m，磁感應(yīng)強度B隨時間t變
化的關(guān)系式為B=kt．求從t=0到CD棒剛要運動，電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱Q；
（3）若CD棒不固定，不計CD棒與導(dǎo)軌間的摩擦；磁場不隨時間變化，磁感應(yīng)強度為B．現(xiàn)對CD棒施加水平向右的外力F，使CD棒由靜止開始向右以加速度a做勻加速直線運動．請在圖2中定性畫出外力F隨時間t變化的圖象，并求經(jīng)過時間t，外力F的沖量大小I．

Answer 1

【答案】分析：（1）已知磁感應(yīng)強度B的變化率，由法拉第電磁感應(yīng)定律求得感應(yīng)電動勢瞬時表達式，由歐姆定律求得感應(yīng)電流瞬時表達式，得到感應(yīng)電流的最大值I_m．由于交變電流是正弦式的，所以感應(yīng)電流的有效值I=I_m．
（2）當(dāng)磁感應(yīng)強度B隨時間t變化的關(guān)系式為B=kt，回路中產(chǎn)生恒定的感應(yīng)電流，CD棒所受的安培力均勻增大，當(dāng)安培力等于最大靜摩擦力時，棒剛要運動．根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律、歐姆定律得到安培力與時間的關(guān)系式，由安培力等于最大靜摩擦力求出時間，由焦耳定律求Q．
（3）先推導(dǎo)出安培力與時間的關(guān)系式，根據(jù)牛頓第二定律外力F與時間的關(guān)系式，作出圖象，圖象的“面積”等于外力的沖量，即可由幾何知識求得沖量I．
解答：解：（1）根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律
回路中的感應(yīng)電動勢
所以，電動勢的最大值 E_m=kl₁l₂
由閉合電路歐姆定律
由于交變電流是正弦式的，所以感應(yīng)電流的有效值I=I_m
解得，
（2）根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，回路中的感應(yīng)電動勢
根據(jù)閉合電路歐姆定律
CD桿受到的安培力
當(dāng)CD桿將要開始運動時，滿足：F_A=f_m
由上式解得：CD棒運動之前，產(chǎn)生電流的時間
所以，在時間t內(nèi)回路中產(chǎn)生的焦耳熱Q=I²Rt=f_ml₂
（3）CD棒切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢E=Bl₁v
時刻t的感應(yīng)電流
CD棒在加速過程中，根據(jù)由牛頓第二定律 F-BIl₁=ma
解得：
根據(jù)上式，可得到外力F隨時間變化的圖象如圖所示，由圖象面積可知：經(jīng)過時間t，外力F的沖量I

解得：

答：
（1）回路中感應(yīng)電流的有效值I為；
（2）從t=0到CD棒剛要運動，電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱Q為f_ml₂；
（3）在圖2中定性畫出外力F隨時間t變化的圖象如圖所示，經(jīng)過時間t，外力F的沖量大小I為+mat．
點評：本題是電磁感應(yīng)與交變電流、力學(xué)、電路等多個知識的綜合，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律求感應(yīng)電動勢，由歐姆定律求感應(yīng)電流是基本的思路．對于涉及棒的運動問題，安培力的推導(dǎo)是關(guān)鍵．