电磁感应现象中的双杆模型归类与剖析(2)
2.两导体杆均处于磁场内,其中一杆切割磁感线,另一杆与磁场方向共线运动(v∥B)。
例2如图2甲所示,弯折成90°角的两根足够长的金属导轨平行放置,形成左右两导轨平面,左导轨平面与水平面成53°角,右导轨平面与水平面成37°角,两导轨相距L=0.2m,电阻不计。质量m=0.1kg,电阻R=0.1Ω的金属杆a、b与导轨垂直接触形成闭合回路,金属杆与导轨间的动摩擦因数均为μ=0.5,整个装置处于磁感应强度B大小为1.0T、方向平行于左导轨平面且垂直右导轨平面向上的匀强磁场中。t=0时刻开始,a杆以初速度v0沿右导轨平面下滑。t=ls时刻开始,对a杆施加一垂直a杆且平行右导轨平面向下的力F,使b杆开始做匀加速直线运动。b杆运动的v-t图像如图2乙所示(其中第1s、第3s内图线为直线)。若两杆在下滑过程中均保持与导轨垂直且接触良好,g取10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8。求:
(1)a杆的初速度v0;
(2)若第2s内力F所做的功为9J,求第2s内b杆所产生的焦耳热。
解析(1)由题意第1s内对b杆:由图2乙得:a1=4m/s2。
由牛顿第二定律得:
mgsin53°-μ(mgcos53°+FB1)=ma1。
设1s时a杆速度为v1,第1s内a杆:E=BLv1,I=,FB1=BIL,解之得:v0=v1=1m/s。
(2)由题意第3s内对b杆:
由图2乙得:a3=-4m/s2。
设2s时a杆的速度为v2,对b杆,由牛顿第二定律得:
mgsin53°-μ(mgcos53°+)=ma3,解之得:v2=9m/s。
第2s内a杆的位移:x2=t=5m。
由动能定理得:WF+mgx2sin37°-μmgx2cos37°-2Qb=mv-mv,解之得:Qb=3J。
思路点拨:此类题目分析时,切割杆按单杆模型进行分析和处理,共线杆(速度方向平行于磁场方向)对其进行动态分析,寻找最终稳态的动力学关系,然后以电流强度为桥梁联立两杆方程进行求解,该模型的本质仍为单杆问题。
3.两导体杆交替切割磁感线。
例3如图3所示,两根电阻忽略不计的平行光滑金属导轨竖直放置,导轨足够长,其上端接一阻值为3Ω的定值电阻R。在水平虚线L1、L2之间有一与导轨所在平面垂直的匀强磁场,磁场区域的高度为d,d=0.5m。导体棒a的质量ma=0.2kg、电阻Ra=3Ω;导体棒b的质量mb=0.1kg、电阻Rb=6Ω。它们分别从图中M、N处同时由静止开始在导轨上无摩擦向下滑动,都能匀速穿过磁场区域,且当导体棒b刚离开磁场时,导体棒a正好进入磁场。设重力加速度g=10m/s2,不计导体棒a、b之间的相互作用,导体棒始终与导轨垂直且与导轨接触良好。求:
(1)在整个过程中,导体棒a克服安培力所做的功;
(2)M处、N处与L1的高度差各是多大。
解析(1)因为导体棒a匀速通过磁场,克服安培力做的功等于重力做的功,即:
Wa=magd,故Wa=1.0J。
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