问题 问答题

如图甲,两光滑的平行导轨MON与PO′Q,其中ON、O′Q部分是水平的,倾斜部分与水平部分用光滑圆弧连接,QN两点间连电阻R,导轨间距为L.水平导轨处有两个匀强磁场区域Ⅰ、Ⅱ(分别是cdef和hgjk虚线包围区),磁场方向垂直于导轨平面竖直向上,Ⅱ区是磁感强度B0的恒定的磁场,Ⅰ区磁场的宽度为x0,磁感应强度随时间变化.一质量为m,电阻为R的导体棒垂直于导轨放置在磁场区中央位置,t=0时刻Ⅰ区磁场的磁感强度从B1大小开始均匀减小至零,变化如图乙所示,导体棒在磁场力的作用下运动的v-t图象如图丙所示.

(1)求出t=0时刻导体棒运动加速度a.

( 2)求导体棒穿过Ⅰ区磁场边界过程安培力所做的功和将要穿出时刻电阻R的电功率.

(3)根据导体棒运动图象,求棒的最终位置和在0-t2时间内通过棒的电量.

答案

(1)t=0时刻 E=

△Φ
△t
=
B1
t0
Lx0
2
,I=
E
2R
ab棒受到向左的安培力 F=B1IL=
B21
L2x0
4Rt0

ab棒向左的加速度 a=

F
m
=
B21
L2x0
4mRt0

(2)

1
2
t0时刻导体棒穿出磁场速度为v0,由动能定理,安培力的功为W=
1
2
m
v20

将要穿出磁场Ⅰ区时电动势为E=

△Φ
△t
-BLv=
B1Lx0
t0
-
B1Lv0
2

I=

E
2R
P=I2R=
1
4R
(
B1Lx0
t0
-
B1Lv0
2
)2

(3)设磁场Ⅱ区宽度为x1,棒在Ⅱ区任一时刻速度为v,E=BLv,I=

B0Lv
2R

棒受到向右安培力 F=B0IL=

B02L2v
2R

加速度大小a=

B02L2v
2mR

△v=-a△t=

-B02L2v
2mR
△t

穿过磁场Ⅱ区全程

∑△v=

1
2
v0-v0=
B02L2
2mR
∑△x=
-B02L2
2mR
x1

x1=

mRv0
B20
L2

棒从斜面返回磁场Ⅱ初速度

1
2
v0,同理可知,经过x1位移速度减为零,所以停在Ⅱ区右端

又 E=

△Φ 
△t
I=
E
2R

△Q=I△t=

△Φ 
2R

0-t2时间内 △Φ 1=-

B1Lx0
2
△Φ 2=B0Lx1=
mRv0
B0L

△Q=

mv0
2B0L
-
B1Lx0
4R

答:(1)开始时刻导体棒运动加速度a为

B21
L2x0
4mRt0

( 2)导体棒穿过Ⅰ区磁场边界过程安培力所做的功为

1
2
m
v20
,将要穿出时刻电阻R的电功率为
1
4R
(
B1Lx0
t0
-
B1Lv0
2
)
2

(3)棒的最终位置在Ⅱ区右端,在0-t2时间内通过棒的电量为

mv0
2B0L
-
B1Lx0
4R

单项选择题
判断题