Question

如圖一所示，豎直面上有兩電阻不計的光滑金屬導軌平行固定放置，間距d為0，5m，上端通過導線與阻值為2Ω的電阻R連接，下端通過導線與阻值為4Ω的小燈泡L連接，在CDEF矩形區(qū)域內(nèi)有水平向外的勻強磁場，磁感應強度B隨時間變化如圖二所示，CE長為2m．在t=0時，電阻2Ω的金屬棒以某一初速度從AB位置緊貼導軌向下運動，當金屬棒從AB位置運動到EF位置過程中，小燈泡的亮度沒有發(fā)生變化，g取10m/s²．求：
（1）通過小燈泡的電流強度
（2）金屬棒的質(zhì)量
（3）t=0.25s時金屬棒兩端的電勢差
（4）金屬棒從AB位置運動到EF位置過程中，電阻R中的焦耳熱．

Answer 1

（1）金屬棒未進入磁場時，E₁=

△?

△t

=

S△B

△t

=0.5×2×

0.4

0.2

=2 V       
R_總=R_L+

R

2

=4+1=5Ω            
I_L=

E1

R總

=

2

5

=0.4A                 
（2）因燈泡亮度不變，故0.2s末金屬棒進入磁場時剛好勻速運動，
I=I_L+I_R=I_L+

ILRL

R

=0.4+0.4×

4

2

=1.2 A    
G=F_A=BId=0.4×1.2×0.5=0.24 N           
所以金屬棒的質(zhì)量：m=

G

g

=0.024Kg          
（3）金屬棒在磁場中運動時電動勢E₂=I（R+

RRL

R+RL

）=1.2（2+

2×4

2+4

）=4V      
v=

E2

Bd

=

4

0.4×0.5

=20m/s
金屬棒從CD位置運動到EF位置過程的時間為t₂=

CE

v

=

2

20

s=0.1s，在這段時間內(nèi)U=I_LR_L=0.4×4V=1.6V，所以t=0.25s時金屬棒兩端的電勢差為1.6V           
（4）金屬棒在進入磁場前，電阻R中的焦耳熱Q1=I12Rt=0.22×2×0.2J=0.016J
金屬棒從AB位置運動到EF位置過程中的焦耳熱Q2=I22Rt=0.82×2×0.1J=0.128J
金屬棒從AB位置運動到EF位置過程中，電阻R中的焦耳熱Q=Q₁+Q₂=0.144J
答：（1）通過小燈泡的電流強度是0.4A；
（2）金屬棒的質(zhì)量是0.024kg；
（3）t=0.25s時金屬棒兩端的電勢差為1.6V；
（4）金屬棒從AB位置運動到EF位置過程中，電阻R中的焦耳熱為0.144J．