Question

如图甲所示，空间存在竖直向上的磁感应强度为B的匀强磁场，ab、cd是相互平行的间距为l的长直导轨，它们处于同一水平面内，左端由金属丝bc相连，MN是跨接在导轨上质量为m的导体棒，已知MN与bc的总电阻为R，ab、cd的电阻不计。用水平向右的拉力使导体棒沿导轨做匀速运动，并始终保持棒与导轨垂直且接触良好。图乙是棒所受拉力和安培力与时间关系的图象，已知重力加速度为g。

（1）求导体棒与导轨间的动摩擦因数μ；

（2）已知导体棒发生位移s的过程中bc边上产生的焦耳热为Q，求导体棒的电阻值；

（3）在导体棒发生位移s后轨道变为光滑轨道，此后水平拉力的大小仍保持不变，图丙中Ⅰ、Ⅱ是两位同学画出的导体棒所受安培力随时间变化的图线。判断他们画的是否正确，若正确请说明理由；若都不正确，请你在图中定性画出你认为正确的图线，并说明理由。（要求：说理过程写出必要的数学表达式）

Answer

（1）（2）r=R(1-)  （3）

【解析】解题指导：应用法拉第电磁感应定律、闭合电路欧姆定律、牛顿运动定律、平衡条件及其相关知识列方程解答。

【解析】
（1）根据导体棒MN匀速运动可知它受牵引力、安培力和摩擦力f三力平衡，由图象可知拉力大小为F0，安培力大小为F0/2，根据牛顿第二定律有：F0 -F0/2-f=0

f=μFN，FN=mg，

解得           （4分）

（2）根据功能关系可知导体棒MN克服安培力做功将机械能转化为电能，在电路中电能转化为电热，电路中的总电热Q总= F0/2·s （3分）

设导体棒的电阻值为r，根据电阻串联关系可知

解得   r=R(1-)          （4分）

（3）两位同学画的图线都不正确。（2分）

设导体棒运动的速度大小为v，产生的感应电动势为E，感应电流为I，F安=BIL

I=E/R， E=Blv，      联立解得

根据牛顿第二定律有 F0- F安=ma

分析可知随着导体棒加速，安培力F安逐渐增大，加速度逐渐减小。当F安= F0时导体棒将做匀速运动，F安不再变化。（3分）

其变化过程如图所示。（2分）