题目内容
如图所示，两根足够长的直金属导轨MN、PQ平行放置在倾角为θ的绝缘斜面上，两导轨间距为L．M、P两点间接有阻值为R的电阻．一根质量为m的均匀直金属杆ab放在两导轨上，并与导轨垂直．整套装置处于匀强磁场中，磁场方向垂直于斜面向上．导轨和金属杆的电阻可忽路．让金属杆ab沿导轨由静止开始下滑，经过足够长的时间后，金属杆达到最大速度vm，在这个过程中，电阻R上产生的热量为Q．导轨和金属杆接触良好，它们之间的动摩擦因数为μ且μ＜tanθ．已知重力加速度为g．（1）求磁感应强度的大小；
（2）金属杆在加速下滑过程中，当速度达到v1（v1＜vm）时，求此时杆的加速度大小；
（3）求金属杆从静止开始至达到最大速度的过程中下降的高度．
分析：（1）金属杆先沿导轨向下做加速度减小的变加速运动，后做匀速运动，速度达到最大值，此时金属杆受力平衡，根据平衡条件和安培力公式，求出磁感应强度B的大小．
（2）金属杆在加速下滑过程中，当速度达到v1（v1＜vm）时，求出安培力，由牛顿第二定律求解加速度大小．
（3）金属杆从静止开始至达到最大速度的过程中，其重力势能减小，转化为杆的动能、摩擦生热和电路中的焦耳热，根据能量守恒定律求解杆下降的高度．
（2）金属杆在加速下滑过程中，当速度达到v1（v1＜vm）时，求出安培力，由牛顿第二定律求解加速度大小．
（3）金属杆从静止开始至达到最大速度的过程中，其重力势能减小，转化为杆的动能、摩擦生热和电路中的焦耳热，根据能量守恒定律求解杆下降的高度．
解答：
解：（1）当ab匀速运动时，金属杆的受力图如图所示（从前向后看的视图）：图中Ff为滑动摩擦力，FN为斜面支持力，F安为感应电流的安培力，mg为导体棒的重力．这时导体棒匀速直线运动，其所受的合力为零，则有：
mgsinθ=Ff+F安
FN=mgcosθ，
由滑动摩擦力公式：Ff=μFN，
由安培力公式F安=BIL，由欧姆定律I=
，由法拉第电磁感应定律得E=BLvm，得F安=
解得：B=
（2）当导体棒的速度为v1时，由牛顿第二定律得：mgsinθ-μmgcosθ-BI'L=ma，
其中I'为速度时v1时导体棒中的感应电流，I'=
，
代入上式解得加速度 a=g(sinθ-μcosθ)(1-
)
（3）由能量守恒知，导体棒减少的重力势能，转化为动能、内能和电能，电能通过电阻R又转化为热量．所以满足：
mgh=
m
+W′+Q，其中W'为克服摩擦力做的功，
W′=μFN?
，FN=mgcosθ，
解得金属棒下降的高度为 h=
答：
（1）磁感应强度的大小为
；
（2）金属杆在加速下滑过程中，当速度达到v1（v1＜vm）时，此时杆的加速度大小为g(sinθ-μcosθ)(1-
)；
（3）金属杆从静止开始至达到最大速度的过程中下降的高度为
．
解：（1）当ab匀速运动时，金属杆的受力图如图所示（从前向后看的视图）：图中Ff为滑动摩擦力，FN为斜面支持力，F安为感应电流的安培力，mg为导体棒的重力．这时导体棒匀速直线运动，其所受的合力为零，则有：mgsinθ=Ff+F安
FN=mgcosθ，
由滑动摩擦力公式：Ff=μFN，
由安培力公式F安=BIL，由欧姆定律I=
| E |
| R |
| B2L2vm |
| R |
解得：B=
|
（2）当导体棒的速度为v1时，由牛顿第二定律得：mgsinθ-μmgcosθ-BI'L=ma，
其中I'为速度时v1时导体棒中的感应电流，I'=
| BLv1 |
| R |
代入上式解得加速度 a=g(sinθ-μcosθ)(1-
| v1 |
| vm |
（3）由能量守恒知，导体棒减少的重力势能，转化为动能、内能和电能，电能通过电阻R又转化为热量．所以满足：
mgh=
| 1 |
| 2 |
| v | 2 m |
W′=μFN?
| h |
| sinθ |
解得金属棒下降的高度为 h=
m
| ||
| mg(1-μcotθ) |
答：
（1）磁感应强度的大小为
|
（2）金属杆在加速下滑过程中，当速度达到v1（v1＜vm）时，此时杆的加速度大小为g(sinθ-μcosθ)(1-
| v1 |
| vm |
（3）金属杆从静止开始至达到最大速度的过程中下降的高度为
m
| ||
| mg(1-μcotθ) |
点评：本题的关键是会推导安培力的表达式，根据平衡条件、牛顿第二定律和能量守恒研究电磁感应现象，常规题．
练习册系列答案
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如图所示，两根足够长的光滑金属导轨MN、PQ平行放置，导轨平面与水平面的夹角为θ，导轨的下端接有电阻．当导轨所在空间没有磁场时，使导体棒ab以平行导轨平面的初速度v0冲上导轨平面，ab上升的最大高度为H；当导轨所在空间存在方向与导轨平面垂直的匀强磁场时，再次使ab以相同的初速度从同一位置冲上导轨平面，ab上升的最大高度为h．两次运动中导体棒ab始终与两导轨垂直且接触良好．关于上述情景，下列说法中正确的是（ ）
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如图所示，两根足够长的固定平行金属导轨位于同一水平面内，导轨间的距离为L，导轨上横放着两根导体棒ab和cd．设两根导体棒的质量皆为m，电阻皆为R，导轨光滑且电阻不计，在整个导轨平面内都有竖直向上的匀强磁场，磁感强度为B．开始时ab和cd两导体棒有方向相反的水平初速，初速大小分别为v0和2v0，求：
如图所示，两根足够长且平行的光滑金属导轨与水平面成53°夹角固定放置，导轨间连接一阻值为6Ω的电阻R，导轨电阻忽略不计．在两平行虚线m、n间有一与导轨所在平面垂直、磁感应强度为B的匀强磁场．导体棒a的质量为ma=0.4kg，电阻Ra=3Ω；导体棒b的质量为mb=0.1kg，电阻Rb=6Ω；它们分别垂直导轨放置并始终与导轨接触良好．a、b从开始相距L0=0.5m处同时将它们由静止开始释放，运动过程中它们都能匀速穿过磁场区域，当b刚穿出磁场时，a正好进入磁场（g取10m/s2，不计a、b之间电流的相互作用）．求：
（2011?湖南模拟）如图所示，两根足够长的光滑平行金属导轨相距为l=0.5m，导轨平面与水平面间的夹角θ=30°，整个导轨平面处于匀强磁场中，磁场的磁感应强度大小B=0.4T，方向垂直导轨平面，在导轨上垂直导轨放置两金属棒ab和cd，长度均为0 5m，cd棒的质量m=0.2kg、电阻R=0.2Ω，不计ab棒和金属导轨的电阻，两棒与金属导轨接触良好且可沿导轨自由滑动．现ab棒在外力作用下，始终以恒定速度v=1.5m/s沿着导轨向上滑动，cd棒则由静止释放，g取10m/s2．求：