2011年高考山東理綜卷第22題的定量求解

孔慶國

(大慶實驗中學(xué) 黑龍江 大慶 163316)

偶又看到2011年山東理綜試題選擇第22題，查了多種資料，關(guān)于該題的D選項正確的理由都是定性說明：棒c出磁場后，只有導(dǎo)體棒d切割磁感線，此時,d的速度大于進(jìn)磁場時的速度，d受到安培力作用做減速運(yùn)動，動能減小，d出磁場后,動能隨下落高度的增加而均勻增大，故選項C錯誤，D正確．這實在不能令人信服，為什么棒d出磁場前一直減速沒有說清楚,實際上,有可能棒d在出磁場前已經(jīng)減速到勻速了.現(xiàn)用微元法加以定量論證D選項的正確性.

【原題】如圖1所示，兩固定的豎直光滑金屬導(dǎo)軌足夠長且電阻不計．兩質(zhì)量、長度均相同的導(dǎo)體棒c和d，置于邊界水平的勻強(qiáng)磁場上方同一高度h處．磁場寬為3h，方向與導(dǎo)軌平面垂直．先由靜止釋放c，c剛進(jìn)入磁場即勻速運(yùn)動，此時再由靜止釋放d，兩導(dǎo)體棒與導(dǎo)軌始終保持良好接觸．用ac表示c的加速度，Ekd表示d的動能，xc,xd分別表示c,d相對釋放點(diǎn)的位移．選項中正確的是

圖1

解析：設(shè)棒c剛進(jìn)入磁場速度為v1，棒c從開始到進(jìn)入磁場過程中機(jī)械能守恒，所以有

(1)

棒c剛進(jìn)入磁場勻速，合力為零，由平衡條件可知

可得

(2)

由于棒d下落時離磁場上邊界也為h,在磁場外只受重力，所以，棒d到磁場上邊界的速度也是v1.此過程棒c以v1勻速，所以,當(dāng)棒d剛進(jìn)入磁場時，棒c向下運(yùn)動的總距離為3h.兩棒都進(jìn)入磁場后，因速度相同，回路沒有感應(yīng)電流,棒c,d都只受重力，兩棒再向下運(yùn)動距離h后，棒c出磁場.從棒d下落到棒c出磁場，棒d只受重力，下落總距離為2h，因此,棒c剛出磁場時棒d的速度v2為

(3)

棒c剛出磁場以后，由于v2>v1,棒d所受安培力大于重力，棒d減速；棒d出磁場前某時刻的速度減為v,此時，棒d的加速度為

方向向上.

棒d減速階段，任意Δt時間內(nèi)的速度變化為

Δv=aΔt

所以,棒d減速階段速度變化

(4)

式中vt為棒d出磁場時的速度.

設(shè)棒c剛出磁場到棒d剛出磁場的時間為t, 由式(2)、(4)可知

(5)

圖2

由于棒d進(jìn)入磁場后，做加速度逐漸減小的減速運(yùn)動，速度-時間圖像如圖2，根據(jù)平均速度公式和速度-時間圖像可知

(6)

由式(5)、(6)可知

(7)

由式(1)、(7)可知

解不等式得

即

所以,棒d在由2h向下運(yùn)動4h的過程中，安培力始終大于重力，棒d一直減速，動能減小，棒d出磁場后動能隨下落高度的增加而均勻增大，故選項C錯誤，選項D正確．