如图所示,两足够长平行光滑的金属导轨MN、PQ相距为L,导轨平面与水平面夹角为α,导轨电阻不计.磁感应强度为B的匀强磁场垂直导轨平面斜向上,长为L的金属棒ab垂直于MN、PQ放

◎ 题目

如图所示,两足够长平行光滑的金属导轨MN、PQ相距为L,导轨平面与水平面夹角为α,导轨电阻不计.磁感应强度为B的匀强磁场垂直导轨平面斜向上,长为L的金属棒ab垂直于MN、PQ放置在导轨上,且始终与导轨接触良好,金属棒的质量为m、电阻为R.两金属导轨的上端连接右侧电路,电路中R2为一电阻箱,已知灯泡的电阻RL=4R,定值电阻R1=2R,调节电阻箱使R2=12R,重力加速度为g,闭合开关S,现将金属棒由静止释放,求:

魔方格

(1)金属棒下滑的最大速度vm
(2)当金属棒下滑距离为s0时速度恰好达到最大,则金属棒由静止开始下滑2s0的过程中,整个电路产生的电热;
(3)改变电阻箱R2的值,当R2为何值时,金属棒达到匀速下滑时R2消耗的功率最大.

◎ 答案

(1)当金属棒匀速下滑时速度最大,达到最大时有
        mgsinα=F                                     
        F=BIL                                       
        I=
BLvm
R总
                                     
       其中 R=6R                                        
        联立各式得金属棒下滑的最大速度vm=
6mgRsinα
B2L2

(2)由动能定理WG-W=
1
2
mvm2                         
         由于WG=2mgs0 sinα   W=Q                              
         解得Q=2mgs0sinα-
1
2
mvm2
     将代入上式可得   Q=2mgs0sinα-
18m3g2R2sin2α
B4L4

也可用能量转化和守恒求mg2s0sinα=Q+
1
2
m
v2m

再联立各式得Q=2mgs0sinα-
18m3g2R2sin2α
B4L4

(3)金属棒匀速下滑受力平衡
       mgsinα=BIL                                       
       P2=I22R2 
        由电路分析得  I2=
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