如图所示,两足够长平行光滑的金属导轨MN、PQ相距为L,导轨平面与水平面夹角为α,导轨电阻不计.磁感应强度为B的匀强磁场垂直导轨平面斜向上,长为L的金属棒ab垂直于MN、PQ放置在导轨上,且始终与导轨接触良好,金属棒的质量为m、电阻为R.两金属导轨的上端连接右侧电路,电路中R2为一电阻箱,已知灯泡的电阻RL=4R,定值电阻R1=2R,调节电阻箱使R2=12R,重力加速度为g,闭合开关S,现将金属棒由静止释放,求:
(1)金属棒下滑的最大速度vm;
(2)当金属棒下滑距离为s0时速度恰好达到最大,则金属棒由静止开始下滑2s0的过程中,整个电路产生的电热;
(3)改变电阻箱R2的值,当R2为何值时,金属棒达到匀速下滑时R2消耗的功率最大.
(1)当金属棒匀速下滑时速度最大,达到最大时有
mgsinα=F安
F安=BIL
I=BLvm R总
其中 R总=6R
联立各式得金属棒下滑的最大速度vm=6mgRsinα B2L2
(2)由动能定理WG-W安=
mvm2 1 2
由于WG=2mgs0 sinα W安=Q
解得Q=2mgs0sinα-
mvm21 2
将代入上式可得 Q=2mgs0sinα-18m3g2R2sin2α B4L4
也可用能量转化和守恒求mg2s0sinα=Q+
m1 2 v 2m
再联立各式得Q=2mgs0sinα-18m3g2R2sin2α B4L4
(3)金属棒匀速下滑受力平衡
mgsinα=BIL
P2=I22R2
由电路分析得 I2=
I4R R2+4R
联立得P2=(
)2R2P2=4Rmgsinα (R2+4R)BL
(16R2R2
+8RR2+16R2R 22
)2mgsinα BL P2=
(16R2 R2+8R+ 16R2 R2
)2mgsinα BL
当R2=
,即R2=4R时,R2消耗的功率最大 16R2 R2
答:(1)金属棒下滑的最大速度vm=6mgRsinα B2L2
(2)当金属棒下滑距离为s0时速度恰好达到最大,则金属棒由静止开始下滑2s0的过程中,整个电路产生的电热2mgs0sinα-
;18m3g2R2sin2α B4L4
(3)改变电阻箱R2的值,当R2=4R时,金属棒达到匀速下滑时R2消耗的功率最大.