Question

（18分）如圖甲所示，兩根足夠長(zhǎng)、電阻不計(jì)的光滑平行金屬導(dǎo)軌相距為L(zhǎng)₁＝2m，導(dǎo)軌平面與水平面成θ＝30°角，上端連接阻值R＝1.5Ω的電阻；質(zhì)量為m＝0.4kg、阻值r＝0.5Ω的勻質(zhì)金屬棒ab放在兩導(dǎo)軌上，距離導(dǎo)軌最上端為L(zhǎng)₂＝4m，棒與導(dǎo)軌垂直并保持良好接觸。整個(gè)裝置處于一勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，該勻強(qiáng)磁場(chǎng)方向與導(dǎo)軌平面垂直，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小隨時(shí)間變化的情況如圖乙所示。（g=10m/s²）
（1）保持ab棒靜止，在0～4s內(nèi)，通過(guò)金屬棒ab的電流大小和方向；
（2）為了保持ab棒靜止，需要在棒的中點(diǎn)施加一垂直于棒且平行于導(dǎo)軌平面的外力F，求2s時(shí)外力F的大小和方向；
（3）5s后撤去外力，金屬棒由靜止開(kāi)始向下滑動(dòng)，滑行1.1m恰好勻速運(yùn)動(dòng)，求在此過(guò)程中電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱。

Answer 1

（1）1A   b→a （2）1N 方向平行于導(dǎo)軌平面向上 （3）1.5J

試題分析：（1）在0～4s內(nèi)，由法拉第電磁感應(yīng)定律： ①             
由閉合電路歐姆定律：                      ②
根據(jù)楞次定律  方向由b→a                              ③
（2）當(dāng)t＝2s時(shí)，ab棒受到沿斜面向上的安培力
                                         ④
對(duì)ab棒受力分析，由平衡條件：
                                  ⑤
方向平行于導(dǎo)軌平面向上                                  ⑥
（3）ab棒沿導(dǎo)軌下滑切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，有： ⑦
產(chǎn)生的感應(yīng)電流                                 ⑧
棒下滑至速度穩(wěn)定時(shí)，棒兩端電壓也恒定，此時(shí)ab棒受力平衡，有：
                                       ⑨
得                              ⑩
由動(dòng)能定理，得                  （11）
                        （12）
                                    （13）
評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：⑤⑨（11）（12）（13）式每式各2分，其余每式各1分，共計(jì)18分。