Question

如图所示，金属杆a在离地h高处从静止开始沿弧形轨道下滑，导轨平行的水平部分有竖直向上的匀强磁场B，水平部分导轨上原来放有一长L的金属杆b．已知杆的质量为m_a，且与b杆的质量比为m_a：m_b=3：4，水平导轨足够长，不计摩擦．求：
（1）若a、b电阻分别为R_a、R_b，则b的最大加速度为多大？
（2）a和b的最终速度分别是多大？
（3）整个过程中回路中释放的电能是多少？
（4）若已知a、b杆的电阻之比R_a：R_b=3：4，其余电阻不计．整个过程中a、b上产生的热量分别是多少？

Answer

a下滑，以一定速度进入水平轨道（磁场区），产生感应电动势．a与b组成闭合回路，且产生感应电流．根据左手定则判断a、b受的安培力方向可知a做减速运动，b做加速运动．刚开始时b受的安培力最大，加速度最大．经过一段时间后，a、b达到相同速度，之后回路中磁通量不发生变化，感应电流为零，不再受安培力．a、b匀速运动．回路中的电能从能量转化角度分析，克服安培力做功过程中将a的重力势能转化为a、b的动能和a、b回路中的电能．
【解析】
（1）a下滑h高的过程中，由机械能守恒：magh=mava2，
               va=
当a以va速度进入磁场区时，产生的感应电动势：E=BLva=BL
回路中感应电流为：I=
所以b受到的安培力F=BIL，b的最大加速度为：amax==
（2）a、b达共同的速度过程中，a、b系统所受合外力为零．由动量守恒得：mava=（ma+mb）v；
a、b最终速度：v=
             va=
（3）再由能量守恒知，回路中产生的电能：E=magh-（ma+mb）v2=magh
（4）回路中产生的热量Qa+Qb=E，在回路中产生电能的过程中，虽然电流不恒定，但Ra与Rb串联，通过a、b的电流总是相等的，所以有：

Qb==  
答：（1）若a、b电阻分别为Ra、Rb，则b的最大加速度为：amax==；
（2）a和b的最终速度分别是：v=与 va=；
（3）整个过程中回路中释放的电能是magh；
（4）若已知a、b杆的电阻之比Ra：Rb=3：4，其余电阻不计．整个过程中a、b上产生的热量分别是，．