Question

【题目】如图所示，足够长的金属导轨MN、PQ平行放置，间距为L，与水平面成θ角，导轨与定值电阻R1和R2相连，且R1 = R2 = R，R1支路串联开关S，原来S闭合．匀强磁场垂直导轨平面向上，有一质量为m、有效电阻也为R的的导体棒ab与导轨垂直放置，它与导轨的接触粗糙且始终接触良好，现让导体棒ab从静止开始释放，沿导轨下滑，当导体棒运动达到稳定状态时速率为V，此时整个电路消耗的电功率为重力功率的．已知重力加速度为g，导轨电阻不计，求：

（1）匀强磁场的磁感应强度B的大小和达到稳定状态后导体棒ab中的电流强度I；

（2）如果导体棒ab从静止释放沿导轨下滑x距离后运动达到稳定状态，在这一过程中回路中产生的电热是多少？

（3）导体棒ab达到稳定状态后，断开开关S，从这时开始导体棒ab下滑一段距离后，通过导体棒ab横截面的电量为q，求这段距离是多少？

Answer 1

【答案】（1）， （2）（3）

【解析】试题分析：（1）当导体棒匀速运动时达到稳定状态，此时速率为V，重力功率为mgVsinθ．由，得到回路的总电功率P电，根据电功率为重力功率的，列式求磁感应强度B．并求出通过ab棒的电流I；（2）根据重力功率等于电功率与克服摩擦力做功功率之和，列式求出摩擦力大小，由能量守恒求回路中产生的电热；（3）S断开后，由法拉第电磁感应定律、欧姆定律和电量公式q=It，得到电量q与距离的关系，即可求出距离．

（1）回路中的总电阻为：

当导体棒ab以速度V匀速下滑时棒中的感应电动势为

此时棒中的感应电流为：

此时回路的总电功率为：

此时重力的功率为．

据题给条件有：

解得：

（2）设导体棒ab与导轨间的滑动摩擦力大小为f，根据能的转化和守恒定律可知： ，则有

解得

导体棒ab减少的重力势能等于增加的动能、回路中产生的焦耳热以及克服摩擦力做功的和

解得

（3）S断开后，回路中的总电阻为：

设这一过程经历的时间为，这一过程回路中的平均感应电动势为，通过导体棒ab的平均感应电流为，导体棒ab下滑的距离为S，则：

得：

解得：