Question

如图所示，两根平行金属导轨固定在水平桌面上，每根导轨单位长度电阻为r，导轨的端点P、Q用电阻可忽略的导线相连，两导轨间的距离为l．有垂直纸面向里的非匀强磁场，其磁感应强度沿y方向大小不变，沿x方向均匀增强，即有B=kx，其中k为常数．一根质量为m，电阻不计的金属杆MN可在导轨上无摩擦地滑动，在滑动过程中始终保持与导轨垂直．在t=0时刻，金属杆MN紧靠在P、Q端，在外力F作用下，杆以恒定的加速度a从静止开始向导轨的另一端滑动．求
（1）在t时刻金属杆MN产生的感应电动势大小；
（2）在t时刻流经回路的感应电流大小和方向；
（3）在t时刻金属杆MN所受的安培力大小；
（4）在0～t时间内流过金属杆MN的电量大小．

Answer 1

【答案】分析：（1）据题，杆以恒定的加速度a做匀加速运动，由v=at求出t时刻时杆的速度v，由x=at2求出杆通过的位移，此时B=kx，即可由E=Blv求出感应电动势的大小；
（2）根据题设条件求出此时回路中的总电阻，由闭合电路欧姆定律求出感应电流大小；由右手定则判断感应电流的方向；
（3）安培力的大小F=BIl，代入求出．
（4）画出电流-时间图象，图象与坐标轴所围的“面积”大小等于电量．
解答：解：
（1）在时刻t，有，
此时杆的速度为  v=at
所以在t时刻金属杆MN产生的感应电动势大小为  ①
（2）在时刻t，回路的总电阻
所以在t时刻流经回路的感应电流大小为  ②
由右手定则判断得知，感应电流方向为NMPQN（逆时针方向）．
（3）在t时刻金属杆MN所受的安培力大小为   ③
（4）由②式可知I随时间t均匀变化，作出感应电流-时间图象如图，由i-t图可知，图中三角形所围的面积即为流经MN的电量，
所以  ④
答：（1）在t时刻金属杆MN产生的感应电动势大小为；
（2）在t时刻流经回路的感应电流大小为，方向为NMPQN；
（3）在t时刻金属杆MN所受的安培力大小为；
（4）在0～t时间内流过金属杆MN的电量大小是
点评：本题综合了匀变速直线运动的规律和电磁感应知识，难度不大．对于第4问，也可以根据求解．