Question

5．如圖所示，平行金屬導(dǎo)軌PQ、MN相距d=2m，導(dǎo)軌平面與水平面夾角α=30°，導(dǎo)軌上端接一個(gè)R=6Ω的電阻，導(dǎo)軌電阻不計(jì)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=0.5T的勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直導(dǎo)軌平面向上，一根質(zhì)量為m=0． 2kg、電阻r=4Ω的金屬棒ef垂直導(dǎo)軌PQ、MN靜止放置，距離導(dǎo)軌底端x₁=3.2m，另一端絕緣塑料棒gh與金屬棒ef平行放置，絕緣塑料棒gh從導(dǎo)軌底端以初速度v₀=10m/s沿導(dǎo)軌上滑并與金屬棒正碰（碰撞時(shí)間極短），此后絕緣塑料棒gh沿導(dǎo)軌下滑，金屬棒ef沿導(dǎo)軌上滑x₂=0.5m后停下，在此過程中電阻R上產(chǎn)生的電熱為Q=0.36J，已知兩棒與導(dǎo)軌間的動(dòng)摩擦因數(shù)均為μ=$\frac{\sqrt{3}}{3}$，g=10m/s²，求：
（1）絕緣塑料棒gh與金屬棒ef碰撞前瞬間，絕緣塑料棒的速率；
（2）碰撞后金屬棒ef向上運(yùn)動(dòng)過程中的最大加速度；
（3）金屬棒ef向上運(yùn)動(dòng)過程中通過電阻R的電荷量．

Answer 1

分析 （1）對(duì)導(dǎo)體棒受力分析，根據(jù)牛頓第二定律計(jì)算加速度的大小，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)的公式計(jì)算速度的大小；
（2）金屬棒剛開始運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度最大，根據(jù)牛頓第二定律計(jì)算加速度的大�。�
（3）根據(jù)歐姆定律計(jì)算電流的大小，再計(jì)算通過電阻R的電荷量．

解答 解：（1）塑料棒與金屬棒碰撞前，做勻減速運(yùn)動(dòng)，由牛頓第二定律得：
Mgsin30°+μMgcos30°=Ma，
得：${a_1}=gsin30°+μgcos30°=10×0.5+\frac{{\sqrt{3}}}{3}×10×\frac{{\sqrt{3}}}{2}=10m/{s^2}$，
由運(yùn)動(dòng)學(xué)的公式：$v_1^2-v_0^2=-2{a_1}{x_1}$，
代入數(shù)據(jù)得：v₁=6m/s；
（2）設(shè)金屬棒剛開始運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度為v，由能量守恒得：
$\frac{R+r}{R}•Q+mg{x_2}sin30°+μmg{x_2}cos30°=\frac{1}{2}m{v^2}$，
代入數(shù)據(jù)解得：v=4m/s；
金屬棒剛開始運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度最大，此時(shí)的電動(dòng)勢(shì)：
E=Bdv=0.5×2×4V=4 V，
感應(yīng)電流為：$I=\frac{E}{R+r}=\frac{4}{6+4}A=0.4A$；
安培力為：F=BId=0.5×0.4×2=0.4 N，
由牛頓第二定律得：mgsin30°+μmgcos30°+F=ma_m，
代入數(shù)據(jù)解得：${a_m}=12m/{s^2}$；
（3）通過R的電荷量：$q=\frac{△Φ}{R_總}=\frac{{Bd{x_2}}}{R+r}$，
代入數(shù)據(jù)得：q=0.05C；
答：（1）絕緣塑料棒gh與金屬棒ef碰撞前瞬間，絕緣塑料棒的速率是6m/s；
（2）碰撞后金屬棒ef向上運(yùn)動(dòng)過程中的最大加速度是12m/s ²；
（3）金屬棒ef向上運(yùn)動(dòng)過程中通過電阻R的電荷量是0.05C．

點(diǎn)評(píng) 本題為電磁感應(yīng)與力學(xué)的結(jié)合，在解題中要重點(diǎn)做好受力分析及運(yùn)動(dòng)情景分析，用好共點(diǎn)力的平衡關(guān)系及能量守恒定律等基本規(guī)律．