题目内容

如图所示，两根正对的平行金属直轨道MN、M′N′位于同一水平面上，两轨道间距离l=0.50m．直轨道左端接一定值电阻R1=0.40Ω，直轨道右端与竖直面内的半圆形光滑金属轨道NP、N′P′平滑连接，两半圆轨道的半径均为r=0.5m．直轨道的右端处于竖直向下、磁感应强度B=0.6T的匀强磁场中，磁场区域的宽度d=l.0m，且其右边界与NN′重合．有一质量m=0.20kg、电阻R2=0．lΩ的导体杆ab静止在距磁场的左边界s=2.0m处．现用一水平恒力F拉动ab杆，F=2.0N，当ab杆运动至磁场的左边界时撤去F，结果导体杆ab恰好能以最小速度通过半圆形轨道的最高点PP′．已知导体杆ab在运动过程中与轨道接触良好，且始终与轨道垂直，导体杆ab与直轨道之间的动摩擦因数μ=0.10，轨道的电阻可忽略不计，取g=l0m/s2，求：
（1）导体杆刚进入磁场时，导体杆的速度和加速度大小；
（2）导体杆穿过磁场的过程中整个电路产生的焦耳热．
分析：（1）根据动能定理求出导体杆刚进入磁场时的速度．根据E=BLv求出导体杆切割产生的感应电动势，根据闭合电路欧姆定律求出感应电流的大小，从而得出安培力的大小，根据牛顿第二定律求出加速度的大小．
（2）由能的转化和守恒定律，导体杆穿过磁场，运动到圆轨道最高点的过程中损失的机械能转化为电路中焦耳热Q1和摩擦产生热Q2，根据牛顿第二定律求出最高点的速度，从而根据能量守恒求出整个电路产生的焦耳热．
解答：解：（1）设导体杆在F的作用下运动至磁场的左边界时的速度为v1，根据动能定理则有(F-μmg)s=
1
2
m
v
2
1

代入数据解得：v1=6.0m/s  
导体杆刚进入磁场时产生的感应电动势 E1=Blv1
此时通过导体杆的电流大小   I1=
E1
R1+R2

导体杆刚进入磁场受到的安培力  F安=BI1l，
由牛顿运动定律有   F合=BI1l+μmg=ma 
代入数据解得：a=6.4m/s2  
（2）设导体杆离开磁场，恰好能运动到圆轨道最高点的速度为v2，由牛顿运动定律有mg=m
v22
r

由能的转化和守恒定律，导体杆穿过磁场，运动到圆轨道最高点的过程中损失的机械能转化为电路中焦耳热Q1和摩擦产生热Q2，
Q2=μmgd   
1
2
m
v
2
1
-(2mgr+
1
2
m
v
2
2
)=Q1+Q2
代入数据解得：Q1=0.9 J
答：（1）导体杆刚进入磁场时，导体杆的速度为6m/s，加速度大小为6.4m/s2．
（2）导体杆穿过磁场的过程中整个电路产生的焦耳热为0.9J．
点评：本题综合运用了动能定理、牛顿第二定律和能量守恒定律，综合性较强，对学生能力要求较高，关键是理清运动过程，选择合适的定律进行求解．
练习册系列答案
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（2009?西城区三模）[选做题]]如图所示，两根正对的平行金属直轨道MN、M?N?位于同一水平面上，两轨道之间的距离 l=0.50m．轨道的MM′端之间接一阻值R=0.40Ω的定值电阻，NN′端与两条位于竖直面内的半圆形光滑金属轨道NP、N′P′平滑连接，两半圆轨道的半径均为 R0=0.50m．直轨道的右端处于竖直向下、磁感应强度B=0.64T的匀强磁场中，磁场区域的宽度d=0.80m，且其右边界与NN′重合．现有一质量 m=0.20kg、电阻 r=0.10Ω的导体杆ab静止在距磁场的左边界s=2.0m处．在与杆垂直的水平恒力 F=2.0N的作用下ab杆开始运动，当运动至磁场的左边界时撤去F，结果导体ab恰好能以最小速度通过半圆形轨道的最高点PP′．已知导体杆ab在运动过程中与轨道接触良好，且始终与轨道垂直，导体杆ab与直轨道之间的动摩擦因数 μ=0.10，轨道的电阻可忽略不计，取 g=10m/s2，求：
（1）导体杆刚进入磁场时，通过导体杆上的电流大小和方向；
（2）导体杆穿过磁场的过程中通过电阻R上的电荷量；
（3）导体杆穿过磁场的过程中整个电路产生的焦耳热．
（2012?资阳三模）如图所示，两根正对的距离为L=1m的平行金属直物直MN、M’、N'位于同一水平面上，两端M、M’之间接一阻值为R=4Ω的定值电阻，NN’端与两条位于竖直平面内的半径均为Ro=0.4m的半圆形光滑金属习口直NP，N'P’平滑连接直轨道的右侧处于竖直向下、磁感应强度为B=1T的匀强磁场中，磁场区域的宽度为s=0.5m，且其右边界与NN’重合．现有一质量为m=lkg，电阻为r=1Ω的一导体杆ab静止在距磁场的左边界也为s处．在与杆垂直的，水平向右且大小为38N的恒力F作用下ab杆开始运动．当运动至磁场右边界时撤去F，结果导休杆ab恰好能以最小的速度通过半圆形习U首的最高点PP'．已知导体杆ab在运动过程中与辆连接触良好，且始终与轨道垂直，导体杆ab与直轨道之间的动摩擦因数为μ=02，轨道的电阻可忽略不计，重力加速度g取l Om/s2，求：
（1）ab刚进入磁场时杆中电流的大小和方向；
（2）ab穿过磁场的过程中，通过ab杆的电量；
（3）ab穿过磁场的过程中，ab杆损失的机械能和电阻R上产生的焦耳热．
精英家教网如图所示，两根正对的距离为l的平行金属直轨道MN、M′N′位于同一水平面上，两端M、M′之间接一阻值为R的定值电阻，NN′端与两条位于竖直面内的半径均为R0的半圆形光滑金属轨道NP、N′P′平滑连接．直轨道的右侧处于竖直向下、就磁感应强度为B的匀强磁场中，磁场区域的宽度为s，且其右边界与NN′重合．现有一质量为m、电阻为r的导体杆ab静止在距磁场的左边界为s处．在与杆垂直的水平向右恒立F的作用下ab杆开始运动，当运动至磁场右边界时撤去F，结果导体杆ab恰好能以最小的速度通过半圆形轨道的最高点PP′．已知导体杆ab在运动过程中与轨道接触良好，且始终与轨道垂直，导体杆ab与直轨道之间的动摩擦因数为μ，轨道的电阻可忽略不计，重力加速度为g，求：
（1）导体杆刚进入磁场时，通过导体杆上的电流大小和方向；
（2）导体杆穿过磁场的过程中，整个电路中产生的焦耳热．

（18分）如图所示，两根正对的平行金属直轨道MN、M´N´位于同一水平面上，两轨道之间的距离l=0.50m。轨道的MM´端之间接一阻值R=0.40Ω的定值电阻，NN´端与两条位于竖直面内的半圆形光滑金属轨道NP、N´P´平滑连接，两半圆轨道的半径均为R0=0.50m。直轨道的右端处于竖直向下、磁感应强度B=0.64 T的匀强磁场中，磁场区域的宽度d=0.80m，且其右边界与NN´重合。现有一质量m=0.20kg、电阻r=0.10Ω的导体杆ab静止在距磁场的左边界s=2.0m处。在与杆垂直的水平恒力F=2.0N的作用下ab杆开始运动，当运动至磁场的左边界时撤去F，结果导体杆ab恰好能以最小速度通过半圆形轨道的最高点PP´。已知导体杆ab在运动过程中与轨道接触良好，且始终与轨道垂直，导体杆ab与直轨道之间的动摩擦因数μ=0.10，轨道的电阻可忽略不计，取g=10m/s2，求：

（1）导体杆刚进入磁场时，通过导体杆上的电流大小和方向；

（2）导体杆穿过磁场的过程中通过电阻R上的电荷量；

（3）导体杆穿过磁场的过程中整个电路中产生的焦耳热。

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