如图所示，两根足够长的平行金属导轨MN、PQ固定在绝缘水平桌面上，间距L=0.4m，导轨所在空间有竖直向上的匀强磁场，磁感应强度B=0.5T，将两根质量均为m=0.1kg的导体棒ab、cd放在金属导轨上，导体棒的电阻均为R=0.1Ω，导体棒与导轨间的动摩擦因数为μ=0.2．用一根绝缘细线跨过导轨右侧的光滑定滑轮将一物块和导体棒cd相连，物块质量M=0.2kg，细线伸直且与导轨平行．现在由静止释放物块，导体棒在运动过程中始终与导轨垂直且两端与导轨保持良好接触，导体棒所受最大静摩擦力等于滑动摩擦力，取g=10
2019-06-26
如图所示，两根足够长的平行金属导轨MN、PQ固定在绝缘水平桌面上，间距L=0.4m，导轨所在空间有竖直向上的匀强磁场，磁感应强度B=0.5T，将两根质量均为m=0.1kg的导体棒ab、cd放在金属导轨上，导体棒的电阻均为R=0.1Ω，导体棒与导轨间的动摩擦因数为μ=0.2．用一根绝缘细线跨过导轨右侧的光滑定滑轮将一物块和导体棒cd相连，物块质量M=0.2kg，细线伸直且与导轨平行．现在由静止释放物块，导体棒在运动过程中始终与导轨垂直且两端与导轨保持良好接触，导体棒所受最大静摩擦力等于滑动摩擦力，取g=10m/s2．求：
（1）导体棒ab刚要运动时cd的速度大小v；
（2）若从物体静止释放到ab即将开始运动这段时间内，重物下降的高度为h，则此过程中整个回路中产生的总的焦耳热是多少？
（3）导体棒ab运动稳定后的加速度a以及由导体棒ab、cd组成闭合回路的磁通量的变化率．
优质解答
（1）由题意可知：当导体棒ab受到水平向右的安培力增大到最大静摩擦力时，导体棒ab即将运动．
设此时导体棒cd的速度为v，由法拉第电磁感应定律可得：E=BLv，
根据闭合电路的欧姆定律可得：I=
根据安培力和摩擦力的计算公式可得：F安=BIL，fm=μmg，
根据共点力的平衡条件可得：F安=fm
由以上公式可解得：v=1m/s；
（2）当物块下降h=0.5m高度的过程中，对于由导体棒ab、cd以及物块M组成的系统，由能的转化和守恒定律可得：
Mgh=mv2=Q
代入数据可得：Q=0.95J；
（3）当导体棒ab运动稳定后，所受安培力保持不变，导体棒ab和cd所受安培力F′安大小相等，方向相反，闭合回路中感应电流大小I′保持不变，两导体棒的加速度a相等，由牛顿第二定律可得：
对M：Mg-T=Ma，
对cd棒：T-F′安-μmg=ma，
对ab棒：F′安-μmg=ma，
解得：a=4m/s2，F′安=0.6N；
根据安培力的计算公式可得：F′安=BI′L
根据闭合电路的欧姆定律可得：I′=，
解得：=E′=0.6Wb/s．
答：（1）导体棒ab刚要运动时cd的速度大小为1m/s；
（2）若从物体静止释放到ab即将开始运动这段时间内，重物下降的高度为h，则此过程中整个回路中产生的总的焦耳热为0.95J；
（3）导体棒ab运动稳定后的加速度为4m/s2，由导体棒ab、cd组成闭合回路的磁通量的变化率为0.6Wb/s．
（1）由题意可知：当导体棒ab受到水平向右的安培力增大到最大静摩擦力时，导体棒ab即将运动．
设此时导体棒cd的速度为v，由法拉第电磁感应定律可得：E=BLv，
根据闭合电路的欧姆定律可得：I=
根据安培力和摩擦力的计算公式可得：F安=BIL，fm=μmg，
根据共点力的平衡条件可得：F安=fm
由以上公式可解得：v=1m/s；
（2）当物块下降h=0.5m高度的过程中，对于由导体棒ab、cd以及物块M组成的系统，由能的转化和守恒定律可得：
Mgh=mv2=Q
代入数据可得：Q=0.95J；
（3）当导体棒ab运动稳定后，所受安培力保持不变，导体棒ab和cd所受安培力F′安大小相等，方向相反，闭合回路中感应电流大小I′保持不变，两导体棒的加速度a相等，由牛顿第二定律可得：
对M：Mg-T=Ma，
对cd棒：T-F′安-μmg=ma，
对ab棒：F′安-μmg=ma，
解得：a=4m/s2，F′安=0.6N；
根据安培力的计算公式可得：F′安=BI′L
根据闭合电路的欧姆定律可得：I′=，
解得：=E′=0.6Wb/s．
答：（1）导体棒ab刚要运动时cd的速度大小为1m/s；
（2）若从物体静止释放到ab即将开始运动这段时间内，重物下降的高度为h，则此过程中整个回路中产生的总的焦耳热为0.95J；
（3）导体棒ab运动稳定后的加速度为4m/s2，由导体棒ab、cd组成闭合回路的磁通量的变化率为0.6Wb/s．