原本不盡然,豈能想當然
——對一道物理競賽問題的深入研究

(南京師范大學附屬中學江寧分校，江蘇 南京 211102)

很多競賽教程中都有這樣的問題:

如圖1所示,在鉛直面內二平行導軌相距l=1cm,且與一純電感線圈L,直流電源(E,r),水平金屬棒AB聯成一閉合回路.開始時,金屬棒靜止,之后無摩擦地自由下滑(不脫離軌道),設軌道足夠長,其電阻可忽略,空間磁感應強度B的大小為0.4T.其方向垂直于軌道平面.已知電源電動勢E=9V,內阻r=0.5Ω,金屬棒質量m=1kg,其電阻R=1.1Ω,線圈自感系數L=12mH,試求金屬棒最大下落速度.

圖1

原解法如下:

金屬棒以任一速度v下落時,回路中感應電動勢為εi,方向與E相反,回路中順時針方向的電流為:

以上解法是一種想當然的解法.解題者顯然認為，金屬棒運動的速度是在不斷地增大的，最后達到一個穩定狀態,這時速度最大.但是,仔細推敲會發現,物體的運動情況不一定如此.

讓我們先作定性研究,我們不妨假設電感的自感系數很大,棒在開始運動后的一段相當長的時間內，由于電感的作用,電流可以認為是零,棒作自由落體運動,當速度非常大后回路中才出現很小的電流,再假設回路的電阻很小,這時電流會慢慢變得非常大,從而又使棒作減速運動.可見，最終的速度不是最大速度.所以,出題者認為的運動模型是有問題的.

(1)

(2)

(3)

(4)

再由(3)式顯然可得：

這是一個二階常系數線性微分方程，其特征方程為：

(5)

下面分幾種情況加以研究：

代入(4)式可得：

(6)

其中C1,C2由下列初始條件決定：t=0時，v=0，v′=g，即由以下兩式決定：

當m,R,r,B,l,L,E取適當值時，可以得到棒的v-t如圖2所示.

圖2

(7)

其中C1,C2由下列初始條件決定：t=0時，v=0，v′=g，即由下列兩式決定:

圖2

(8)

其中A,φ由下列初始條件決定：t=0時，v=0，v′=g，即由下列兩式決定:

圖2

綜上所述,原題所牽涉的運動模型是非常復雜的.具體的運動情況由m,R,r,B,l,E的具體值來決定.即使m,R,r,B,l,L,E數值給定,也應當進行定量分析并作分類討論.由原題所提供的數據,代入(5)式計算可得Δ>0.也就是說,原題中小棒的運動情況正好就是上述圖2所示的第一種情形.但是,目前的中學生是不可能作出這樣的定量分析的.即使作為一道競賽題,顯然也是不妥的.