Question

如圖甲所示，兩根足夠長的光滑平行金屬導軌相距l=0.4 m，導軌平面與水平面成θ=30°角，下端通過導線連接阻值R=0.5Ω的電阻。金屬棒ab阻值r=0.3  Ω，質(zhì)量m=0.2kg，放在兩導軌上，與導軌垂直并保持良好接觸。其余部分電阻不計，整個裝置處于垂直導軌平

面向上的勻強磁場中。取g=10 m/s²。

（1）若磁場是均勻增大的勻強磁場，在開始計時即t=0時刻磁感應強度B₀=2.0T，為保持金屬棒靜止，作用在金屬棒上平行斜面向上的外力F隨時間t變化的規(guī)律如圖乙所示，求磁感應強度B隨時間t變化的關系。

（2）若磁場是磁感應強度大小恒為B₁的勻強磁場，通過額定功率P =10W的小電動機對金屬棒施加平行斜面向上的牽引力，使其從靜止開始沿導軌做勻加速度直線運動，經(jīng)過 s電動機達到額定功率，此后電動機功率保持不變，金屬棒運動的v—t圖象如圖丙所示。試求磁感應強度B₁的大小和小電動機剛達到額定功率時金屬棒的速度v₁的大小?

 

Answer 1

（1）2 N     （2）1T ; 4m/s

解析:

（1）由于磁場均勻增大，所以金屬棒中的電流I大小保持不變，安培力F_安方向沿斜面向下，設任意時刻t磁感應強度為B，金屬棒靜止，合外力為零，則

由圖乙可知在任意時刻t外力F = (2+t) N

在t=0時刻有 

F₀ =2 N

（2）由圖丙可知，金屬棒運動的最大速度v_m=5 m/s，此時金屬棒所受合力為零，設金屬棒此時所受拉力大小為F_m，流過棒中的電流為I_m，則

P=F_mv_m…

F_m－mgsinθ－B₁I_ml =0

E_m= B₁lv_m

即－mgsinθ－=0

解得 B₁=1T

小電動機剛達到額定功率時，設金屬棒所受拉力大小為F₁，加速度大小為a，運動的速度大小為v₁，流過金屬棒的電流為I₁，根據(jù)牛頓第二定律得

P=F₁v₁

v₂=at…

F₁－mgsinθ－B₁I₁l =ma…

E₁= B₁lv₁

即－mgsinθ－ =……

解得v₁= 4m/s