Question

如图所示，在磁感应强度大小为B的匀强磁场中，两条足够长的平行导轨组成一个倾角为53°的斜面框架，磁场方向与导轨所在平面垂直．导轨上端连接一阻值为2R的电阻和电键S，导轨电阻不计．两金属棒a和b的电阻均为R，质量分别为m_a=0.05kg和m_b=0.02kg，它们与导轨接触良好，并可沿导轨无摩擦地运动，g取10m/s²，sin53°=0.8，cos53°=0.6．
（1）若将b棒固定，电键S断开，用一平行斜面向上的恒力F拉a棒，当a棒以v₁=5m/s的速度稳定向上匀速运动．此时再释放b棒，b棒恰能保持静止．求拉力F的大小；
（2）若将a棒固定，电键S闭合，让b棒自由下滑，求b棒滑行的最大速度v₂；
（3）若将a棒和b棒都固定，电键S断开，使磁感应强度从B随时间均匀增加，经0.2s后磁感应强度增大到2B时，a棒所受到的安培力大小正好等于b棒的重力大小，求两棒间的距离d．

Answer 1

【答案】分析：（1）若将b棒固定，电键S断开，a棒作切割磁感线运动，产生感应电动势，根据ε=BLv₁和欧姆定律求出电路中的电流，即可由F=BIL求出两棒所受的安培力．两棒都处于平衡状态，运用平衡条件分别对两棒列式，就可以求出拉力F；
（2）若将a棒固定，电键S闭合，让b棒自由下滑，b棒先做加速度减小的加速运动，后做匀速运动，速度达到最大，用上题的方法求出安培力，根据平衡条件列式，即可求出最大速度；
（3）若将a棒和b棒都固定，电键S断开，使磁感应强度从B随时间均匀增加，回路中产生恒定的感应电动势，根据法拉第电磁感应定律求出回路中的感应电动势，由欧姆定律、安培力公式和平衡条件结合，能求出d．
解答：解：（1）a棒作切割磁感线运动，产生感应电动势：ε=BLv₁
a棒与b棒构成串联闭合电路，电路中的电流强度为 
a棒、b棒受到的安培力大小相等，均为F_a=F_b=BIL
根据平衡条件得：
  对b棒有：BIL-m_bgsin53°=0
  对a棒有：F-BIL-m_agsin53°=0
联立解得F=（m_a+m_b）gsin53°=（0.05+0.02）×10×0.8N=0.56N
并得到   
（2）a棒固定、电键S闭合后，b棒自由下滑作切割磁感线运动，最终b棒以最大速度v₂匀速运动，此时产生的感应电动势为：ε₂=BLv₂
a棒与电阻2R并联，再与b棒串联构成闭合电路，电流强度为
由b棒受力平衡：BI₂L-m_bgsin53°=0
解得B??L=m_bgsin53°
代入得
（3）电键S断开后，当磁场均匀变化时，在a、b棒与平行导轨构成的闭合回路内产生的感应电动势为
依题意有：
解得：
答：
（1）拉力F的大小是0.56N；
（2）b棒滑行的最大速度v₂是4.17m/s．
（3）两棒间的距离d为0.625m．
点评：本题考查切割产生的感应电动势与电路、力学知识的结合，在分析中要注意物体运动状态（匀速或静止）由平衡条件可得出对应的表达式，从而联立求解．