(1)金属棒滑到轨道最低点时,由圆周运动:
N-mg=m
v 2
R 0 …①
根据题意:
N=2mg…②
金属棒切割磁感线产生的感应电动势为:
E=BLv…③
金属棒产生的感应电流为:
I=
E
R+r …④
电阻R两端的电压为:
U=IR…⑤
由①②③④⑤解得:
U=
BLR
g R 0
R+r …⑥
(2)金属棒从ab处由静止开始下滑,到达底端cd的过程中,通过电阻R的电量为:
q=
.
I t
由欧姆定律有:
.
I =
.
E
R+r
根据法拉第电场感应定律:
.
E =N
△∅
△t =
BL R 0
t
由以上三式得:
q=
BL R 0
R+r
(3)金属棒以恒定的速率v从轨道的底端cd拉回与圆心等高的ab处的过程中,金属棒垂直于磁场方向的速度为:
v x=vcosα
金属棒切割产生的电动势为:
E=BLv x
感应电动势有效值为:
E=
BLv
2
电路中的电流有效值为:
I=
E
R+r =
BLv
2 (R+r)
金属棒运动的时间为:
t=
1
4 •2π R 0
v
金属棒产生的热量为:
Q= I 2 Rt= (
BLv
2 (R+r) ) 2 •R•
1
4 •2π R 0
v =
B 2 L 2 vπR R 0
4(R+r ) 2
答:(1)金属棒到达底端时,电阻R两端的电压为 U=
BLR
g R 0
R+r ;
(2)金属棒从ab处由静止开始下滑,到达底端cd的过程中,通过电阻R的电量为 q=
BL R 0
R+r ;
(3)用外力将金属棒以恒定的速率v从轨道的低端cd拉回与圆心等高的ab处的过程中,电阻R产生的热量为 Q=
B 2 L 2 vπR R 0
4 (R+r) 2 .