Question

如圖（a）所示，兩根足夠長的光滑平行金屬導軌相距為l，導軌平面與水平面成θ角，下端通過導線連接的電阻為R．質量為m、阻值為r的金屬棒ab放在兩導軌上，棒與導軌垂直并始終保持良好接觸，整個裝置處于垂直導軌平面向上的磁場中．
（1）若金屬棒距導軌下端距離為d，磁場隨時間變化的規(guī)律如圖（b）所示，為保持金屬棒靜止，求加在金屬棒中央、沿斜面方向的外力隨時間變化的關系．
（2）若所加磁場的磁感應強度大小恒為B′，通過額定功率P_m的小電動機對金屬棒施加沿斜面向上的牽引力，使其從靜止開始沿導軌做勻加速直線運動，經過時間t₁電動機達到額定功率，此后電動機功率保持不變．金屬棒運動的v-t圖象如圖（c）所示．求磁感應強度B′的大小．
（3）若金屬棒處在某磁感應強度大小恒定的磁場中，運動達到穩(wěn)定后的速度為v，在D位置（未標出）處突然撤去拉力，經過時間t₂棒到達最高點，然后沿軌道返回，在達到D位置前已經做勻速運動，其速度大小為

1

5

v，求棒在撤去拉力后所能上升的最大高度．

Answer 1

（1）金屬棒沿斜面方向受力平衡，外力應沿斜面向上，設其大小為F₁，則  
   F₁-mgsinθ-B₁Il=0
由圖（b）可知，磁感應強度B的大小與t關系為B₁=2t
回路中產生的感應電動勢  E=

△?

△t

=

△B?S

△t

，S=l?d，
此時回路中的感應電流  I=

E

R+r

得 F1=mgsinθ+B1

2?l?d

R+r

l=mgsinθ+4

l2d

R+r

t
（2）由圖（c）可知，金屬棒運動的最大速度為v₀，此時金屬棒所受合力為零．
設金屬棒此時所受拉力大小為F₂，流過棒中的電流為I_m，則  F2-mgsinθ-B′Iml=0
 E_m=B?lv₀
 P_m=F₂?v_m   
得 

Pm

v0

-mgsinθ-B′

B′lv0

R+r

l=0
解得  B′=

1

l

( Pm v 20 - mgsinθ v0 )(R+r)

（3）設磁感應強度為B，棒沿斜面向上運動時，mgsinθ+BIl=ma得
  a=gsinθ+

B2l2vt

m(R+r)

取極短時間△t，速度微小變化為△v，△v=a△t，△s=v△t
得 △v=gsinθ△t+

B2l2v△t

m(R+r)

在上升的全過程中，∑△v=gsinθ∑△t+

B2l2∑△s

m(R+r)

即0-v=-[t2gsinθ+

B2l2s

m(R+r)

]
又下滑到勻速時有  mgsinθ-

B2l2v

5(R+r)

=0
由上兩式得s=

v2

5gsinθ

-

vt2

5

上升的高度H=s?sinθ=

v2-vgt2sinθ

5g

答：
（1）加在金屬棒中央、沿斜面方向的外力隨時間變化的關系是F₁=mgsinθ+4

l2d

R+r

t；
（2）磁感應強度B′的大小為

1

l

( Pm v 20 - mgsinθ v0 )(R+r)

；
（3）棒在撤去拉力后所能上升的最大高度是

v2-vgt2sinθ

5g

．