解题思路:(1)释放cd棒后,cd棒沿导轨平面向下做加速运动,回路abdc中产生的感应电动势逐渐增大,感应电流逐渐增大,cd所受的安培力增大,合力减小,加速度减小,当合力减小到零时,cd棒做匀速直线运动,速度达到最大,回路中的电流也达到最大.分别以ab和cd为研究对象,由平衡条件求出最大电流.此时回路中感应电动势为ab与cd两棒所产生的感应电动势之和,由欧姆定律和公式电动势结合求解最大速度.
(1)刚释放cd棒时,ab棒产生的感应电动势:E=BLv0=0.2×0.2×1.5V=0.06V
刚释放时cd棒时,由欧姆定律得:I=[E/2R]=[0.06/2×0.2]A=0.15A
cd所受安培力大小为:F安=BIL=0.2×0.15×0.2N=0.06N,
由左手定则判断可知,安培力方向沿导轨向上.
又cd棒的重力沿斜面向下的分力为:m2gsinθ=0.02×10×sin30°=0.1N
可知F安<m2gsinθ,所以cd棒将沿导轨向下运动,做匀速直线运动,速度达到最大.
对cd杆有:m2gsinθ=BIL
则:I=
m2gsinθ
BL=[0.02×10×sin30°/0.2×0.2]=2.5A
感应电流为:I=
E
2R,则感应电动势为 E=2IR=2×2.5×0.2V=1V
总的感应电动势为:E=BLv1+BLv2
由以上各式解得:v2=[E/BL]-v1=[1/0.2×0.2]-1.5=23.5m/s
(2)当cd静止时:感应电动势为:E=BLv1
感应电流为:I=
E
2R
对cd杆有:m2gsinθ=BIL
对杆ab有:F-BIL-m1gsinθ=0
解得:F=(m1+m2)gsinθ=(0.1+0.02)×10×sin30°=0.6N
解得:v1=
2m2gRsinθ
B2L2=
2×0.02×10×0.2×sin30°
0.22×0.22=25m/s
外力的功率为:P=Fv1=0.6×25W=15W
答:(1)金属棒cd运动的最大速度是23.5m/s;
(2)若要cd棒静止,使ab匀速运动时外力的功率为15W.
点评:
本题考点: 导体切割磁感线时的感应电动势;功率、平均功率和瞬时功率;法拉第电磁感应定律.
考点点评: 本题是电磁感应中的力学问题,综合运用电磁学知识和力平衡知识.对于第(1)问是两棒切割磁感线类型,要注意回路中感应电动势等于两棒产生的感应电动势之和.