Question

【題目】水平面內(nèi)有兩根足夠長的平行光滑金屬導(dǎo)軌，間距為L，兩端分別通過開關(guān)接有電容為C的電容器和阻值為R的電阻，導(dǎo)軌間有垂直導(dǎo)軌平面向里的勾強磁場，磁感應(yīng)強度大小為B。一質(zhì)量為m，長為2L的金屬棒AD與導(dǎo)軌垂直放置，A端恰好與導(dǎo)軌接觸，初始狀態(tài)如圖所示。開始時開關(guān)S1、S2均斷開，除電阻R外，其他電阻均不計，金屬棒始終與導(dǎo)軌接觸良好。

(1)只閉合開關(guān)S1，讓金屬棒以初速度水平向右運動，求金屬棒的最終速度大小。

(2)閉合開關(guān)S1、S2，讓金屬棒繞A端以角速度ω勻速轉(zhuǎn)過90°的過程中，求通過電阻R的電荷量。

(3)只閉合開關(guān)S2，讓金屬棒以初速度水平向右運動，求它運動的速度大小隨位移x的變化關(guān)系。

Answer 1

【答案】（1） （2） （3）

【解析】

（1）最終電容器兩極板間的電壓等于導(dǎo)體棒產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，即，

又知道，

對金屬棒由動量定理可得，而

聯(lián)立解得

（2）金屬棒轉(zhuǎn)過60°過程中，由法拉第電磁感應(yīng)定律可得

平均感應(yīng)電流

通過R的電荷量

金屬棒轉(zhuǎn)過60°時的電動勢

此時電容器所答的電荷量為

金屬棒轉(zhuǎn)過60°后，電容器迅速放電，通過R上的電荷量，

金屬棒轉(zhuǎn)過90°的過程中，通過電阻R的上電荷量：

（3）金屬棒運動的過程中受到為v時，感應(yīng)電動勢

感應(yīng)電流

導(dǎo)體棒所受安培力

根據(jù)動量定理，即，

聯(lián)立解得

對連續(xù)變化過程，方程兩邊累加可解得，（）