如图所示,两根正对的距离为l的平行金属直轨道MN、M'N'位于同一水平面上,两端M、M'之间接一阻值为R的定值电阻,N、N'端与两条位于竖直面内的半径均为R0的半圆形光滑金属轨道NP、N'P'平滑连接,直轨道的右侧处于竖直向下、磁感应强度为B的匀强磁场中,磁场区域的宽度为s,且其右边界与NN'重合,现有一质量为m、电阻为r的导体杆ab静止在距磁场的左边界为s处。在与杆垂直的水平向右恒力F的作用下ab杆开始运动,当运动至磁场右边界时撤去F,结果导体杆ab恰好能以最小的速度通过半圆形轨道的最高点PP'。已知导体杆ab在运动过程中与轨道接触良好,且始终与轨道垂直,导体杆ab与直轨道之间的动摩擦因数为μ,轨道的电阻可忽略不计,重力加速度为g,求:
(1)导体杆刚进入磁场时,通过导体杆上的电流大小和方向;
(2)导体杆穿过磁场的过程中,整个电路中产生的焦耳热。
解:(1)设导体杆在F的作用下运动至磁场左边界时的速度为v1,根据动能定理有:
导体杆在进入磁场时产生的感应电动势E=Blv1
此时通过导体杆上的电流大小
根据右手定则可知,电流方向由b指向a
(2)设导体杆离开磁场时的速度大小为v2,运动到圆轨道最高点的速度大小为v1,因导体杆恰好能通过半圆形轨道的最高点,对导体杆在轨道最高点时根据牛顿第二定律有
导体杆从NN'运动至PP'的过程,根据机械能守恒定律有
导体杆穿过磁场的过程中损失的机械能
此过程电路中产生的焦耳热为