Question

20．如圖甲所示，空間存在B=0.5T，方向豎直向下的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，MN、PQ是處于同一水平面內(nèi)相互平行的粗糙長(zhǎng)直導(dǎo)軌，間距L=0.2m，R是連接在導(dǎo)軌一端的電阻，ab是跨接在導(dǎo)軌上質(zhì)量為m=0.1kg的導(dǎo)體棒．從零時(shí)刻開始，通過一小型電動(dòng)機(jī)對(duì)ab棒施加一個(gè)牽引力F，方向水平向左，使其從靜止開始沿導(dǎo)軌做加速運(yùn)動(dòng)，此過程中棒始終保持與導(dǎo)軌垂直且接觸良好．圖乙是棒的v-t圖象，其中OA段是直線，AC是曲線，DE是曲線圖象的漸進(jìn)線，小型電動(dòng)機(jī)在12s末達(dá)到額定功率P=4.5W，此后保持功率不變．除R外，其余部分電阻均不計(jì)，g=10m/s²．

（1）求導(dǎo)體棒ab在0-12s內(nèi)的加速度大小；
（2）求導(dǎo)體棒ab與導(dǎo)軌間的動(dòng)摩擦因數(shù)及電阻R的值；
（3）若t=17s時(shí)，導(dǎo)體棒ab達(dá)最大速度，從0-17s內(nèi)共發(fā)生位移100m，試求12-17s內(nèi)，R上產(chǎn)生的熱量．

Answer 1

分析 （1）圖象中0-12s內(nèi)物體做勻變速直線運(yùn)動(dòng)，則由該段圖象中的斜率可求得加速度；
（2）由導(dǎo)體切割磁感線時(shí)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式可求得電動(dòng)勢(shì)大小，由歐姆定律可求得感應(yīng)電流，則可求和安培力；由牛頓第二定律可得出加速度表達(dá)式；同理可求得17s時(shí)的加速度表達(dá)式，聯(lián)立即可求得動(dòng)摩擦因數(shù)及電阻R；
（3）由位移公式可求得12s內(nèi)的位移，則由功能關(guān)系可求得R上產(chǎn)生的熱量．

解答 解：（1）由圖象知12s末導(dǎo)體棒ab的速度為：v₁=9m/s
導(dǎo)體棒ab在0-12s內(nèi)的加速度為：$a=\frac{△v}{△t}=\frac{9}{12}$m/s²=0.75m/s²
（2）由牛頓第二定律得：$\frac{P}{v_1}-$$\frac{{{B^2}{L^2}{v_1}}}{R}-μmg=ma$
由圖象知17s末導(dǎo)體棒ab的最大速度為v₂=10m/s，此時(shí)加速度為零，同理有：
 $\frac{P}{v_2}-$$\frac{{{B^2}{L^2}{v_2}}}{R}-μmg=0$
由以上兩式解得：μ=0.2，R=0.4Ω
（3）0-12s內(nèi)，導(dǎo)體棒勻加速運(yùn)動(dòng)的位移為：
 ${s_1}=\frac{v_1}{2}{t_1}=54$m
12-17s內(nèi)，導(dǎo)體棒的位移為：s₂=100-54=46m
由能量守恒得：$P{t_2}-Q-μmg{s_2}=\frac{1}{2}mv_2^2-\frac{1}{2}mv_1^2$
代入數(shù)據(jù)解得R上產(chǎn)生的熱量為：Q=12.35 J
答：（1）導(dǎo)體棒ab在0-12s內(nèi)的加速度大小a為0.75m/s²；
（2）導(dǎo)體棒ab與導(dǎo)軌間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ為0.2，電阻R的值為0.4Ω；
（3）若從0-17s內(nèi)共發(fā)生位移100m，12s-17s內(nèi)，R上產(chǎn)生的熱量Q是12.35 J．

點(diǎn)評(píng) 本題考查電磁感應(yīng)中的能量關(guān)系，在解題中要注意分析過程，通過受力分析找出力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系；再分析各力的做功情況，可利用能量守恒或功能關(guān)系求解．