Question

如图所示，有一宽L=0.4m的矩形金属框架水平放置，框架两端各接一个阻值R=2Ω的电阻，框架的其他部分电阻不计，框架足够长．垂直于金属框平面有一向下的匀强磁场，磁感应强度B=1.0T．金属杆ab与框架接触良好，杆质量m=0.1Kg，杆电阻r=1.0Ω，杆与框架的摩擦不计．当杆受一水平恒定拉力F作用即由静止开始运动，经一段时间，电流表的示数始终保持在0.6A，已知在金属杆加速过程中每个电阻R产生的热量Q=0.2J．求：
（1）电路中最大感应电动势；
（2）在金属杆加速过程中安培力做的功；
（3）在加速过程中金属杆的位移．

Answer 1

【答案】分析：（1）可知ab切割磁感线产生感应电动势，相当于电源，两个电阻R并联，画出等效电路图．金属杆稳定时做匀速运动，由电流表的示数，根据串并联关系求出电路中的总电流，由闭合电路欧姆定律求出最大感应电动势；
（2）已知在金属杆加速过程中每个电阻R产生的热量Q=0.2J，可根据焦耳定律Q=I²Rt及串并联关系，求出金属杆产生的热量，即可得到电路中产生的总热量；
（3）电流表示数稳定时，ab杆匀速运动，水平拉力与安培力平衡，由F_安=BIL求出安培力，即可求出拉力F．由功能关系知，金属杆克服安培力做功等于电路中产生的热量，即可求出安培力做功，再分析动能定理求解金属杆的位移．
解答：解：（1）杆ab切割磁场时，等效电路图如图所示，当金属杆做匀速运动时，速度最大，电路中感应电动势最大．
I=0.6A I_总=2I=1.2A …①
R_外=R=1Ω
根据闭合电路欧姆定律得：
E_m=I_总（R_外+r）=1.2×（1+1）V=2.4V …②
（2）安培力做的功W_A=-Q_总=-（2Q+Q_r）…③
∵===2
∴Q_r=2 Q…④
∴W_A=-0.8J…⑤
（3）电流表示数稳定时，ab杆匀速运动，则F=F_安…③
根据安培力公式 F_安=BI_总L…④
∴F=1.0×1.2×0.4N=0.48 N …⑤
ab棒的最大速度 v_m==m/s=6m/s…⑥
根据动能定理 W_F+W_A=m-0…⑩
得 W_F=×0.1×62+0.8J=2.6J
根据功的公式，加速过程中金属杆的位移 s==m≈5.4m
答：
（1）电路中产生的最大感应电动势为2.4V；
（2）在金属杆加速过程中安培力做的功是-0.8J；
（3）在加速过程中金属杆的位移为5.4m．
点评：本题的突破口是电流表的示数稳定在0.6A，说明金属杆做匀速运动，从力和能两个角度分别研究．对于力的角度，关键是安培力的计算．