解题思路:(1)金属棒下降的过程中,重力与摩擦力做功的和等于动能的增加.
(2)运用法拉第电磁感应定律求出感应电动势,求出安培力,再使用牛顿第二定律求出加速度;
(3)运用动量守恒定律求出棒cd距离MN的最小距离时它们的共同速度,运用动量定理求出速度的变化量.根据能量守恒定律,求出产生的焦耳热.
(1)对ab运用动能定理得
m1gh−μm1gcos45°•
h
sin45°=
1
2m1
v20
代人数据得:v0=
2gh−2μgh=
2×10×1−2×0.2×10×1m/s=4m/s
(2)棒ab运动到MN处,cd加速度最大
Em=BLv0
Im=
Em
R1+R2
∴Fm=BImL=
B2L2v0
R1+R2=
12×12×4
1+3N=1N
由牛顿第二定律:Fm-μm2g=m2a
解得:a=3m/s2
(3)在不相碰的情况下,两棒最终速度必相等,设为vm,ab、cd组成的系统在水平方向任一时刻ab棒与cd棒受到的安培力总是大小相等,方向相反,故系统的水平方向的动量守恒,得:
mv0=2mvm
即:vm=
v0
2=2m/s
设某时刻ab的速度为v1,cd的速度为v2,在极小的△t内,ab速度变化为△v
则:ΦE=
△Φ
△t=BL(v1−v2)
I=
E
R1+R2
由牛顿运动定律有F1=m1
△v
△t=
B2L2(v1−v2)
R1+R2
得v1−v2=
(R1+R2)m1
B2L2•
△v
△t
两棒在水平导轨运动的相对位移,即为两棒不相碰的最小距离,
S0=∑(v1−v2)△t=
(R1+R2)m1
B2L2∑△v=
(R1+R2)m1
B2L2•(v0−
1
2v0)=
(R1+R2)m1v0
2B2L2
联立以上各公式,代人数据求得:s0=1.6m
答:(1)棒ab运动到MN处的速度大小是4m/s;
(2)棒cd运动的最大加速度3m/s2;
(3)棒cd距离MN的最小距离是1.6m
点评:
本题考点: 导体切割磁感线时的感应电动势;动能定理的应用;电磁感应中的能量转化.
考点点评: 该题考查了多个知识点的综合运用.做这类问题我们还是应该从运动过程和受力分析入手研究,运用一些物理规律求解问题.
能量的转化与守恒的应用非常广泛,我们应该首先考虑.