解题思路:(1)导体棒离开磁场后上升的过程中,只有重力做功,机械能守恒,即可列式求得h.(2)导体棒上滑的过程中做减速运动,产生的感应电流减小,则导体棒向上运动至直导轨末端时的功率最小.导体棒刚离开磁场时的速度也为v02,根据法拉第电磁感应定律、欧姆定律和安培力公式,推导出安培力的表达式,导体棒克服安培力做功的功率等于回路中产生的总的电功率,根据功率分配求解导体棒消耗的最小电功率P.(3)根据能量守恒求出回路中产生的总的焦耳热,再求解电阻上产生的电热Q.
(1)导体棒从最高点返回到磁场边界的过程中,由机械能守恒得:mgh=[1/2m(
v0
2)2…①
则导体棒上升的最大高度距磁场边缘高为:h=
v20
8g]…②
(2)由题意可知,导体棒向上运动至直导轨末端时的功率最小,这个功率被电阻R和导体棒按阻值分配,导体棒在磁场边界之外的运动过程中机械能守恒,可知导体棒刚离开磁场时的速度为
v0
2,则导体棒向上运动至直导轨末端时感应电动势为:E=Bd
v0
2…③
感应电流为:I=[E
R+
R/2]…④
安培力为:F=BId…⑤
解得:F=
B2d2v0
3R…⑥
根据功能关系得知,回路中产生的总的电功率:P电=F•
v0
2
根据电阻的关系得,导体棒消耗的最小电功率:P=[1/3F•
v0
2]…⑦
联立解得:P=
B2d2
v20
18R…⑧
(3)由能量守恒可知整个运动过程中,回路中产生的总电热为:Q=[1/2m
v20]-[1/2m(
v0
2)2-2μmglcosθ…⑨
故电阻上产生的电热:Q=
2
3Q=
1
4m
v20−
4
3μmglcosθ
答:(1)离开磁场后,导体棒ab上升的最大高度离磁场边缘高度h是
v20
8g].
(2)在磁场中向上运动的过程中,导体棒消耗的最小电功率P是
B2d2
v20
18R.
(3)整个运动过程中电阻只上产生的电热Q是
1
4m
v20−
4
3μmglcosθ.
点评:
本题考点: 导体切割磁感线时的感应电动势;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,推导安培力的表达式,分析功与能的关系是解题的关键.