Question

如图所示，光滑的平行金属导轨CD与EF间距为L=1m，两导轨所在平面与水平面夹角为θ=30°，导轨上端用导线CE连接（导轨和导线电阻不计），导轨处在磁感应强度为B=0.1T、方向垂直于导轨平面向上的匀强磁场中．一根电阻为R=1Ω的金属棒MN两端有导电小轮搁在两导轨上，金属棒MN上有吸水装置P，取沿导轨向下为x轴正方向．坐标原点O在CE中点，开始时金属棒MN处在x=0位置（即与CE重合），金属棒MN的起始质量不计．当金属棒MN由静止开始下滑时，便开始吸水，质量逐渐增大，设金属棒MN质量的增加量与位移x的平方根成正比，即m=k

x

，k为一常数，k=0.1kg?m^-

1

2

．
（1）猜测金属棒MN下滑过程中做的是什么性质的运动，并加以证明．
（2）金属棒MN下滑2m的位移时，其速度为多大？

Answer 1

分析：（1）通过分析受力情况，来分析金属棒的运动情况：棒从静止开始运动，首先可以确定棒开始阶段做加速运动，然后通过受力分析，看看加速度可能如何变化，棒在下滑过程中沿导轨方向有向下的重力分力mgsinθ和向上的安培力F．由于m随位移x增大而增大，所以，mgsinθ是一个变力；而安培力与速度有关，也随位移增大而增大，如果两个力的差值恒定，即合外力是恒力的话，棒有可能做匀加速运动． 假设棒做的是匀加速运动，根据牛顿第二定律求出加速度的表达式，根据加速度，分析假设是否正确．
（2）根据第1问分析得知，棒做匀加速运动，将x=2m代入加速度的表达式，求出加速度，由运动学公式求解速度．

解答：解：（1）由于棒从静止开始运动，因此首先可以确定棒开始阶段做加速运动，然后通过受力分析，看看加速度可能如何变化．
如图所示，棒在下滑过程中沿导轨方向有向下的重力分力mgsinθ和向上的安培力F．由于m随位移x增大而增大，所以，mgsinθ是一个变力；而安培力与速度有关，也随位移增大而增大，如果两个力的差值恒定，即合外力是恒力的话，棒有可能做匀加速运动．
假设棒做的是匀加速运动，且设下滑位移x时的加速度为a_x，根据牛顿第二定律，有
  mgsinθ-F=ma_x，
而安培力F=BIL=B

BLv

R

L=

B2L2v

R

所以mgsinθ-

B2L2v

R

=ma_x，
假设棒做匀加速直线运动，则瞬时速度v=

2axx

，
由于m=k

x

，
代入后得：k

x

gsinθ-

B2L2

R

2axx

=k

x

a_x，
则得kgsinθ-

B2L2

R

2ax

=ka_x，①
从上述方程可以看出的解a_x是一个定值，与位移x无关，这表明前面的假设成立，棒的运动确实是匀加速直线运动．若a_x与位移x有关，则说明a_x是一个变量，即前面的假设不成立．
（2）为了求棒下滑2m时的速度，应先求出棒的加速度．将题目给出的数据代①式得到
0.1×10×0.5-

0．12×12× 2a

1

=0.1a
化简得 10a+

2

?

a

-50=0
令y=

a

，则得 y²+y-50=0
解得，a=4.69m/s²
根据匀变速运动规律，v=

2ax

=4.33m/s
答：
（1）猜测金属棒下滑过程中做的是做匀加速运动，证明如上．
（2）金属棒下滑2m位移时速度为4.33m/s．

点评：通过先猜测，再进行证明，确定导体棒的运动情况，体现了科学研究常用的思路．当然，要有扎实的基本知识作为基础，才能进行分析．