如图所示,竖直平面内有光滑且不计电阻的两道金属导轨,宽都为L,上方安装有一个阻值R的定值电阻。两根质量都为m,电阻都为r,完全相同的金属杆靠在导轨上,金属杆与导轨等宽且与导轨接触良好,虚线下方的区域内存在匀强磁场,磁感应强度B。
(1)将金属杆1固定在磁场边界下侧,金属杆2从磁场边界上方静止释放,进入磁场后恰作匀速运动,求金属杆2释放处离开磁场边界的距离h0。
(2)将金属杆1固定在磁场边界下侧,金属杆2从磁场边界上方h(h<h0)高处静止释放,经过一段时间后再次匀速,此过程流过电阻R的电量为q,则此过程整个回路中产生了多少热量?
(3)金属杆2从离开磁场边界h(h<h0)高处静止释放,在进入磁场的同时静止释放金属杆1,两金属杆运动了一段时间后都开始了匀速运动,试求出杆2匀速时的速度是多少?并定性画出两杆在磁场中运动的v-t图像(两个电动势分别为ε1、ε2不同的电源串联时,电路中总的电动势ε=ε1+ε2)。
解:(1)匀速时,mg=FA= ①
磁场外下落过程mgh0= ②
得h0=
(2)设流过电量q的过程中,金属杆1在磁场中下落H
③
由动能定理 ④
由①③④得Q总=
(3)因为h<h0,所以金属杆1进入磁场后先加速,加速度向下
由于两金属杆流过电流相同,所以FA相同
对金属杆1有:mg-FA=ma1
对金属杆2有:mg-FA=ma2
发现表达式相同,所以两金属杆加速度a1和a2始终相同,两金属杆速度差值也始终相同
设匀速时速度分别为v1、v2,有
v2-v1=-0 ⑤
又
都匀速时,mg=FA= ⑥
联立⑤⑥得v2=
v-t图如下: