解题思路:(1)金属杆2进入磁场前做自由落体运动,由运动学公式求出进入磁场时的速度v,进入磁场后做匀速运动,重力与安培力平衡,E=BLv,I=[E/2r+R]、F=BIL,及平衡条件可求得m.
(2)金属杆2进入磁场经过一段时间后开始匀速运动,速度大小仍等于v.根据能量守恒求出h2,由
.
E
=[△Φ/△t]=
BL
h
2
t
2
,
.
I
=
.
E
2r+R
,q=
.
I
•
t
2
求出电量q.
(3)释放金属杆1后,两杆受力情况相同,且都向下加速运动,合力等于零时速度最大.根据平衡条件得到两杆速度之和.由于两个金属杆任何时刻受力情况相同,任何时刻两者量也相的加速度也都相同,在相同时间内速度的增同,根据速度增量相同,得到速度的关系,联立求解两杆的最大速度.
(1)金属杆2进入磁场前做自由落体运动,则有
v=
2gh0=4m/s
金属杆2进入磁场后匀速运动,则有 mg=BIL
且 E=BLv,I=[E/2r+R]
解得,m=
B2L2v
(2r+R)g=0.2kg
(2)金属杆2从下落到再次匀速运动的过程中,能量守恒(设金属杆2在磁场内下降h2),则有
mg(h1+h2)=[1/2mv2+Q
解得,h2=
mv2+2Q
2mg−h1=1.3m
金属杆2进入磁场到匀速运动的过程中,
.
E]=[△Φ/△t]=
BLh2
t2,
.
I=
.
E
2r+R,q=
.
I•t2
解得 电量q=
BLh2
2r+R=0.65C
(3)金属2杆刚进入磁场时的速度为v′=
2gh1=2m/s
释放金属杆1后,两杆受力情况相同,且都向下加速运动,合力等于零时速度最大.
mg=BIL,且I=
E1+E2
2r+R,E1=BLv1,E2=BLv2
整理得 v1+v2=
mg(2r+R)
B2L2
代入数据得 v1+v2=4m/s
因为两个金属杆任何时刻受力情况相同,故任何时刻两者的加速度也相同,在相同时间内速度的增量也都相同,即 v1-0=v2-v′
代入数据得 v2=v1+2
联立解得,v1=1m/s,v2=3m/s
答:(1)金属杆2的质量m为0.2kg.
(2)流过电阻R的电量q为0.65C.
(3)两根金属杆各自的最大速度分别是1m/s和3m/s.
点评:
本题考点: 导体切割磁感线时的感应电动势;安培力;电磁感应中的能量转化.
考点点评: 本题是电磁感应与力学知识的综合,第3问关键是抓住两杆的加速度相同,任何时刻速度的增量相同这一隐含的条件分析两杆的速度关系.