Question

如圖甲所示,一個足夠長的U形金屬管導軌NMPQ固定在水平面內,MN、PQ兩導軌間的寬度為l="0.50" m.一根質量為m="0.50" kg的均勻金屬棒ab橫跨在導軌上且接觸良好,abMP恰好圍成一個正方形.該軌道平面處在磁感應強度大小可以調節、豎直向上的勻強磁場中.ab棒與導軌間的最大靜摩擦力和滑動摩擦力均為Fm="1.0" N,ab棒的電阻為R="0.10" Ω,其他各部分電阻均不計.開始時,磁感應強度B0="0.50" T.

(1)若從某時刻(t=0)開始,調節磁感應強度的大小,使其以="0.20" T/s的變化率均勻增加，求經過多長時間ab棒開始滑動.此時通過ab棒的電流大小和方向如何?
(2)若保持磁感應強度B0的大小不變,從t=0時刻開始,給ab棒施加一個水平向右的拉力,使它以a="4.0" m/s2的加速度勻加速運動，推導出此拉力FT的大小隨時間t變化的函數表達式，并在圖乙所示的坐標圖上作出拉力FT隨時間t變化的FT-t圖線.

Answer 1

(1)17.5 s  I="0.5" A 方向從b到a
（2）FT="(3+2.5t)" N 圖線略

(1)以ab桿為研究對象,當磁感應強度均勻增大時,閉合電路中有恒定的電流I.以ab桿為研究對象,它受到的安培力逐漸增大,靜摩擦力也隨之增大.當磁感應強度增大到ab所受安培力F與最大靜摩擦力Fm相等時開始滑動.因F=BIl,B=B0+t="(0.5+0.2t)" T,I=,E==l2, F=Fm.由以上各式求出,經時間t="17.5" s后ab棒開始滑動,此時通過ab棒的電流大小為I="0.5" A,由楞次定律可判斷出,電流方向為從b到a.

(2)當ab勻加速運動時,根據牛頓第二定律有：FT-Fm-F=ma.因F=B0Il,I=B0lv/R,v=at.聯立上述各式,并代入數據,可解得：FT="Fm+ma+B02l2at/R=(3+2.5t)" N.由此可畫出FT-t關系圖象如圖所示