Question

如圖所示，在磁感應強度為B的水平方向的勻強磁場中豎直放置兩平行導軌，磁場方向與導軌所在平面垂直．導軌上端跨接一阻值為R的電阻（導軌電阻不計）．兩金屬棒a和b的電阻均為R，質量分別為m_a=2×10^-2kg和m_b=1×10^-2kg，它們與導軌相連，并可沿導軌無摩擦滑動．閉合開關S，先固定b，用一恒力F向上拉，穩定后a以v₁=10m/s的速度勻速運動，此時再釋放b，b恰好保持靜止，設導軌足夠長，取g=10m/s²．
（1）求拉力F的大小；
（2）若將金屬棒a固定，讓金屬棒b自由滑下（開關仍閉合），求b滑行的最大速度v₂．

Answer 1

分析：（1）a棒勻速運動時，拉力與重力、安培力平衡，b棒靜止時，b棒的重力與安培力平衡，兩棒中電流關系I_b=

Ia

2

，聯立解得F．
（2）先分析a棒勻速運動時，由平衡條件求得a棒的速度，將金屬棒a固定，讓金屬棒b自由滑下時，勻速運動時速度最大．根據平衡條件得到速度的表達式．將兩種情況的速度聯立解得v₂；

解答：解：（1）a棒勻速運動，F=m_ag+BI_aL
b棒靜止，由電路連接關系可知  I_b=

Ia

2

由平衡條件得  m_bg=

BIaL

2

聯立得F=m_ag+2m_bg=0.4N
  （2）當a以v₁勻速運動時a棒中電流為：I_a=

BLv1

R+ R 2

，
b恰好保持靜止，有
 m_bg=BI_bL=

BLIa

2

=

B2L2v1

2(R+ R 2 )

，①
當b自由滑下至勻速運動時：I_b′=

BLv2

R+ R 2

m_bg=BI_b′L=

B2L2v2

R+ R 2

②
①②式聯立得
v₂=

v1

2

=5m/s
答：（1）求拉力F的大小為0.4N；
（2）若將金屬棒a固定，讓金屬棒b自由滑下（開關仍閉合），則b滑行的最大速度v₂為5m/s．

點評：本題中兩根棒都處于平衡狀態，根據平衡條件列方程，同時要分析兩棒之間的聯系，從力和能量兩個角度進行雙桿問題．