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2024 版新课标高中物理模型与方法
专题19 电磁感应中的单导体棒模型
目录
一.阻尼式单导体棒模型..................................................................................................................................... 1
二．发电式单导体棒模型.................................................................................................................................. 9
三．无外力充电式单导体棒模型....................................................................................................................22
四．无外力放电式单导体棒模型....................................................................................................................24
五．有外力充电式单导体棒模型....................................................................................................................27
六．含“源”电动式模型................................................................................................................................ 34
一.阻尼式单导体棒模型
【模型如图】
1．电路特点：导体棒相当于电源。当速度为
时，电动势
2．安培力的特点：安培力为阻力，并随速度减小而减小：
3．加速度特点：加速度随速度减小而减小,
4．运动特点：速度如图所示。a 减小的减速运动
5．最终状态:静止
6．四个规律
(1)全过程能量关系：
,
1
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速度为
时的能量关系
电阻产生的焦耳热
(2)瞬时加速度：
，
(3)电荷量
(4)动量关系：
(安培力的冲量
)
安培力的冲量公式是
①
闭合电路欧姆定律
②
平均感应电动势：
③
位移：
④
①②③④得
【模型演练1】（2023 春·山西晋城·高三校联考期末）舰载机利用电磁阻尼减速的原理可看作如图所示的
过程，在磁感应强度大小为B、方向竖直向下的匀强磁场中，有间距为L 的水平平行金属导轨ab、cd，ac
间连接一电阻R，质量为m、电阻为r 的粗细均匀的金属杆MN 垂直于金属导轨放置，现给金属杆MN 一水
平向右的初速度v0，滑行时间t 后停下，已知金属杆MN 与平行金属导轨间的动摩擦因数为μ，MN 长为
2L，重力加速度为g，下列说法中正确的是（ ）
2
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A．当MN 速度为v1时，MN 两端的电势差为
B．当MN 速度为v1时，MN 的加速度大小为
C．当MN 速度为v1时，MN 的加速度大小为
D．MN 在平行金属导轨上滑动的最大距离为
【模型演练2】（2023·北京·高三专题练习）如图所示，宽度为L 的平行金属导轨水平放置，一端连接阻值
为R 的电阻。导轨所在空间存在竖直向下的匀强磁场，磁感应强度为B。将质量为m，电阻为r 的导体棒
MN 放在导轨上，与导轨接触良好，其长度恰好等于导轨间距，导轨的电阻忽略不计，导轨足够长。在平
行于导轨的拉力F 作用下，导体棒从静止开始沿导轨向右运动。当导体棒速度为v 时：
（1）求导体棒两端的电压U；
（2）求导体棒所受安培力的功率；
（3）若已知此过程中导体棒产生的电热为
，因摩擦生热为
，求拉力F 做的功W。
【模型演练3】（2023 春·安徽宣城·高三安徽省宣城市第二中学校考期末）如图所示，两条足够长的金属
导轨水平放置，相距为L，处于磁感应强度大小为B、方向垂直导轨平面向里的匀强磁场中，导轨左端接
3
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一电阻R，将长为L 的金属杆CD 置于导轨上，质量为m，电阻为r，与水平导轨间的动摩擦因数为μ。现
给金属杆一个水平向右的初速度为v，杆在运动距离x 后停下，运动过程中杆与导轨始终保持垂直且接触
良好，重力加速度为g，不计导轨电阻，求：
（1）刚开始运动时金属杆CD 产生的电动势及其加速度大小；
（2）整个过程中电阻R 上产生的焦耳热和流经R 的电量；
（3）整个过程中金属杆CD 运动所用的时间。
【模型演练4】（2023 春·云南楚雄·高三统考期末）速度均匀变化的运动是最简单的变速运动，速度随时
间均匀变化的直线运动叫作匀变速直线运动，速度随位移均匀变化的直线运动叫作另类匀变速线运动。如
图甲所示，质量为
的金属棒放在宽度为L 的平行光滑导轨上，整个装置处于竖直向下、磁感应强度大小
为B 的匀强磁场中，回路中的总电阻为R。给金属棒一个向右的初速度
，金属棒沿导轨做另类匀减速直
线运动，其
图像如图乙所示，求：
（1）金属棒的最大加速度
；
（2）金属棒在停止运动前通过电路中某截面的电荷量q；
（3）金属棒在导轨上运动的距离
。
【模型演练5】（2023 春·北京顺义·高三统考期末）在物理学的研究过程中，对变速运动的研究是从最简
单的变速直线运动开始的。最简单的变速直线运动，速度应该是均匀变化的。速度随时间均匀变化的直线
运动叫做匀变速直线运动，加速度
为一定值。若某种变速运动的速度v 是随位移x 均匀变化的，
4
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请解答以下问题：
（1）类比速度随时间均匀变化的运动中加速度a 的定义，写出速度随位移均匀变化的运动中加速度
的
定义式，使
也为定值；
（2）如图所示，质量为m 的金属棒放在宽度为L 的光滑导轨上，导轨左侧连接阻值为R 的电阻，金属棒
和导轨电阻均不计。整个装置处于磁感应强度大小为B 的匀强磁场中。给金属棒一个水平向右的初速度
，
运动过程中金属棒始终与导轨垂直。
①证明金属棒运动的速度v 随位移x 是均匀变化的，加速度
为定值；
a
②．请从牛顿运动定律的角度分析金属棒的加速度
的变化情况；
b．请从
不变的角度分析金属棒的加速度
的变化情况。
二．发电式单导体棒模型
【模型如图】
1．电路特点：导体棒相当于电源，当速度为
时，电动势
2．安培力的特点：安培力为阻力，并随速度增大而增大.
3．加速度特点：加速度随速度增大而减小.
4．运动特点：速度如图所示。做加速度减小的加速运动
5
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5．最终特征：匀速运动
6．两个极值(1)
时,有最大加速度：
(2)
时,有最大速度：
7．稳定后的能量转化规律
8．起动过程中的三个规律
(1)动量关系：
(2)能量关系：
(3)电荷量
9．几种变化
(1) 电路变化
(2)磁场方向变化
6
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(3) 导轨面变化（竖直或倾斜）
10.若
的作用下使导体棒做匀加速直线运动则
随时间线性变化。
证明：根据法拉第电磁感应定律
..................................................................（1）
闭合电路欧姆定律
..................................................................(2)
安培力F＝BIL...............................................................（3）
由（1）（2）（3）得
......................................（4）
由牛顿第二定律
.................................（5）得
由运动学公式
............................................(6)
(5)(6)联立得
....................................(7)
由（7）式可以看出要让导体棒做匀加速直线运动所加外力必然随时间均匀变化即
【模型演练1】（2023 春·福建福州·高三校考期末）固定在水平桌面上的平行光滑金属导轨如图甲所示，
导轨间距
，左端与
的电阻相连，导轨间有垂直于导轨平面向上的匀强磁场，导体棒
垂直
放在导轨上。现给导体棒施加一水平向右的恒力
，测得导体棒速度随时间变化的图像如图乙所示。已知
导体棒质量
，有效阻值
，磁场磁感应强度
，其它电阻不计。
（1）求导体棒运动过程中通过电阻
的最大电流，此时
多大；
（2）求
时导体棒加速度的大小；
（3）若导体棒开始运动后
内通过的位移
，求该时间内电阻
上产生的热量。
7
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【模型演练2】（2023 春·湖南长沙·高三周南中学校考期末）如图甲所示，两平行导轨是由倾斜导轨（倾
角为θ）与水平导轨用极短的圆弧导轨平滑连接而成的，并处于磁感应强度大小为B、方向竖直向上的匀
强磁场中，两导轨间距为L，上端与阻值为R 的电阻连接。一质量为
、电阻为r 的金属杆MN 在t=0 时
由静止开始在平行倾斜导轨平面方向向下的拉力（图中未画出）作用下沿导轨下滑。当杆MN 运动到
处时撤去拉力，杆MN 在水平导轨上继续运动，其速率v 随时间t 的变化图象如图乙所示，图中
和
为
已知量。若全过程中电阻R 产生的总热量为Q，杆MN 始终垂直于导轨并与导轨保持良好接触，导轨的电
阻以及一切摩擦均不计，重力加速度为g，求：
（1）杆MN 中的最大感应电流
的大小和方向；
（2）拉力做的功
；
（3）撤去拉力后杆MN 在水平导轨上运动的路程s。
【典例分析3】（2023 春·安徽合肥·高三统考期末）如图所示，倾角30°、宽为
的足够长U 形光滑金属导
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轨固定在磁感应强度为
、范围足够大的匀强磁场中，磁场方向垂直导轨平面斜向上，重力加速度为
。
现用一平行于导轨向上的拉力
，牵引一根长为
、质量为
、电阻为
的金属棒
，由静止开始沿导轨
向上做匀加速运动，加速度大小为
。金属棒
始终与导轨垂直且接触良好，
边电阻为
，导轨
其他部分电阻不计。
（1）写出拉力
的大小随时间变化的关系式；
（2）求在时间
内通过导体某一横截面的电荷量；
（3）若在时间
内拉力
做的功为
，求这一过程金属棒
中产生的热能是多少。
【模型演练4】（2023 春·山东菏泽·高三统考期末）如图甲所示，两条足够长的平行金属导轨间距为
l=0.5m，固定在倾角为37°的斜面上。导轨顶端连接一个阻值为R=0.8Ω 的电阻。在MN 下方存在方向垂直
于斜面向上、大小为B=1T 的匀强磁场。将质量为m=0.5kg、电阻值为r=0.2Ω 的金属棒在AB 处由静止释放，
其下滑过程中的v-t 图像如图乙所示。金属棒下滑过程中与导轨保持垂直且接触良好，不计导轨的电阻，
取g=10m/s²，sin37°=0.6，cos37°=0.8。
（1）求金属棒与导轨间的动摩擦因数；
（2）求金属棒在磁场中能够达到的最大速率；
（3）金属棒从进入磁场至速率最大的过程中，通过电阻R 的电荷量为9.1C，求此过程中电阻R 上产生的
焦耳热。
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【模型演练5】（2023·福建南平·统考模拟预测）如图甲，倾角
的足够长光滑导轨，导轨间距
，该端接有
的定值电阻，导轨处在磁感应强度大小
，方向垂直导轨平面向上的匀强磁
场中。质量
、阻值
的金属棒，在平行于导轨的拉力F 作用下，由静止开始从CD 处沿导轨
向上加速运动，金属棒的速度—位移图像如图乙所示，金属棒始终与导轨垂直并接触良好，导轨电阻忽略
不计，重力加速度
，求：
（1）通过金属棒的电荷量为1C 时，金属棒的位移大小；
（2）速度
时，电阻R 的发热功率；
（3）金属棒从CD 处沿导轨向上运动
的过程中，外力F 做的功。
【模型演练6】（2023 春·四川内江·高三威远中学校校考阶段练习）相距
m 的足够长平行金属导轨
竖直放置，质量为
kg 的金属棒
和质量为
kg 的金属棒
均通过棒两端的套环水平地套在
金属导轨上，如图（a）所示，虚线上方磁场方向垂直纸面向里，虚线下方磁场方向竖直向下，两处磁场
磁感应强度大小相。
棒光滑，
棒与导轨间动摩擦因数为
，两棒电阻均为
，导轨电阻不
计。
时刻起，
棒受到一外力F（方向竖直向上，大小按图（b）所示规律变化）作用下，从静止开
始沿导轨匀加速运动，同时也由静止释放
棒。
m/s2.
（1）求磁感应强度B 的大小和
棒加速度大小；
（2）已知在2s 内外力F 做功40J，求这一过程中金属棒
产生的焦耳热；
（3）求出
棒达到最大速度时所对应的时刻。
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【模型演练8】（2023 春·河南郑州·高三统考期末）如图甲所示，两根平行且足够长的粗糙金属导轨间距
，和阻值
的定值电阻组成的回路平面与水平面的夹角
。匀强磁场垂直于导轨平面
向上，磁感应强度
。一质量为
、电阻为r、长
的导体棒ab 垂直放置在导轨上，从
静止释放后，金属棒沿导轨向下运动
时达到最大速度，此过程中金属棒的加速度a 和速度v 的关系
如图乙所示，金属棒在运动中始终与导轨接触良好，不计导轨电阻，
，求：（已知
，
不考虑电磁辐射）
（1）金属棒与导轨间的动摩擦因数
；
（2）金属棒的电阻r；
（3）导体棒从静止释放到速度达到最大所经历的时间t 和此过程中电阻R 上产生的焦耳热
。
三．无外力充电式单导体棒模型
基本
模型
规律
(电阻阻值为R，电容器电容为C)
电路特点
导体棒相当于电源，电容器被充电.
电流特点
安培力为阻力，棒减速，E 减小，有I＝，电容器被充电
UC变大，当BLv＝UC时，I＝0，F 安＝0，棒匀速运动.
运动特点和最终
a 减小的加速运动，棒最终做匀速运动，此时I＝0，但
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特征
电容器带电荷量不为零.
最终速度
电容器充电荷量：q＝CU
最终电容器两端电压U＝BLv
对棒应用动量定理：
mv0－mv＝BL·Δt＝BLq
v＝.
v－t 图象
【模型演练】(多选)如图甲所示，水平面上有两根足够长的光滑平行金属导轨MN 和PQ，两导轨间距为
l，电阻均可忽略不计．在M 和P 之间接有阻值为R 的定值电阻，导体杆ab 质量为m、电阻为r，并与导轨
接触良好．整个装置处于方向竖直向上、磁感应强度为B 的匀强磁场中．现给杆ab 一个初速度v0，使杆向
右运动．则( )
A．当杆ab 刚具有初速度v0时，杆ab 两端的电压U＝，且a 点电势高于b 点电势
B．通过电阻R 的电流I 随时间t 的变化率的绝对值逐渐增大
C．若将M 和P 之间的电阻R 改为接一电容为C 的电容器，如图乙所示，同样给杆ab 一个初速度v0，使杆
向右运动，则杆ab 稳定后的速度为v＝
D．在C 选项中，杆稳定后a 点电势高于b 点电势
四．无外力放电式单导体棒模型
基本
模型
规律
(电源电动势为E，内阻不计，电容器电容为C)
电路特点
电容器放电，相当于电源；导体棒受安培力而运动.
电流的特点
电容器放电时，导体棒在安培力作用下开始运动，同时
阻碍放电，导致电流减小，直至电流为零，此时UC＝
BLv.
运动特点及最终
特征
a 减小的加速运动，最终匀速运动，I＝0.
最大速度vm
电容器充电荷量：Q0＝CE
放电结束时电荷量：
Q＝CU＝CBLvm
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电容器放电荷量：
ΔQ＝Q0－Q＝CE－CBLvm
对棒应用动量定理：
mvm＝BL·Δt＝BLΔQ
vm＝
v－t 图象
【模型演练1】（2023·江苏徐州·校考模拟预测）如图所示，固定在水平面上的足够长的光滑平行直导轨处
于垂直平面向下的匀强磁场中，磁场的磁感应强度为B。一端连接着一个电容器和电源，电容为C，电源
电动势为E。导轨上放着一根质量为m，长度为L 与导轨间距相同，有固定阻值的均匀导体棒。与电容器
连接的单刀双掷开关先与左边闭合，待充电结束后，某时刻与右边闭合，随后导体棒在运动的过程中始终
与导轨接触良好，不计其他位置的电阻，求：
（1）判断导体棒运动规律，求出稳定后的最大速度v；
（2）稳定后电容器所带电量Q。
【模型演练2】（2023·河南开封·统考三模）如图所示，间距为
的光滑平行金属导轨水平放置，导轨左端
接有一个单刀双掷开关S，1 端接有阻值为
的定值电阻，2 端接有电容为
（末充电）的电容器，两导轨
间存在竖直向下的匀强磁场，磁感应强度大小为
。当开关接位置1 时，放在导轨上的质量为
、阻值
为的均匀金属杆
，在水平向右的恒力
作用下由静止开始运动，经时间开始做匀速直线运动，运动
过程中金属杆ab 始终与两导轨垂直且保持良好接触。已知重力加速度为
，导轨足够长且电阻不计，求：
（1）金属杆
匀速运动时的速度大小；
（2）金属杆
由静止到匀速时运动的位移大小；
（3）若开关
接位置2 时，金属杆
仍在恒力
作用下由静止开始运动，经时间金属杆的速度大小。
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五．有外力充电式单导体棒模型
【模型结构】
【情景】：轨道水平光滑，单杆
质量为
，电阻
，两导轨间距为
，拉力
恒定
设金属棒运动的速度大小为
，则感应电动势为
(1)
经过
速度为
，此时感应电动势
2)
时间内流入电容器的电荷量
.......(3)
电流
,(4)
安培力
.(5)
由牛顿第二第定律
(6)
(7)
所以杆以恒定的加速度匀加速运动
对于导体棒
，克服安培力做多少功，就应有多少能量 转化为电能，则有:
(8)
(9) 由 (7) (8) (9) 式得:
所以在 t 秒内转化为电能的多少是:
【反思】由模型可知: 只要导体棒受恒定外力，导体棒必做匀变速运动，且加速度为
; 如
果外力不恒定，则导体棒做非匀变速运动; 如果不受外力，则导体棒匀速运动或静止．反之，只要导体棒
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速度均匀变化( a 恒定) ，感应电动势就均匀变化，电容器的带电量就均匀变化，回路中的 电流就恒定不
变(
) ，导体棒所受安培力就恒定不变 (
，外力就恒定不变．
【模型演练1】(多选)(2021·河南三门峡市一模)如图所示，间距为L 的两根平行光滑导轨竖直放置，导轨间
接有电容器C，装置处于垂直轨道平面的匀强磁场B 中，质量为m、电阻为R 的金属杆ab 接在两导轨之间
并由静止释放，ab 下落过程中始终保持与导轨接触良好，设导轨足够长，电阻不计，下列说法正确的是(
)
A．ab 做自由落体运动
B．ab 做匀加速运动，且加速度为a＝
C．ab 做匀加速运动，若加速度为a，则回路的电流为I＝CBLa
D．ab 做加速度减小的变加速运动，最后匀速运动，最大速度为vm＝
【模型演练2】（2023·天津和平·耀华中学校考二模）如图甲所示，空间存在方向竖直向下、磁感应强度大
小
的匀强磁场，有两条平行的长直导轨MN、PQ 处于同一水平面内，间距
，左端连接阻
值
的电阻。质量
的导体棒ab 垂直跨放在导轨上，与导轨间的动摩擦因数
，从
时刻开始，通过一小型电动机对棒施加一个水平向右的牵引力，使棒从静止开始沿导轨方向做加速运动，
此过程中棒始终保持与导轨垂直且接触良好，除R 以外其余部分的电阻均不计，重力加速度g 取
（1）若电动机保持恒定功率输出，棒的
图象如图乙所示（其中OA 是曲线，AB 是直线），已知
内电阻R 上产生的热量
，求：导体棒达到最大速度
时牵引力大小及导体棒从静止开始达
到最大速度
时的位移大小；
（2）若电动机保持恒定牵引力
，且将电阻换为
的电容器（耐压值足够大），如图丙所示，
证明导体棒做匀加速运动，并求出加速度。
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【模型演练3】（2023·全国·高三专题练习）如图所示，足够长的两条光滑平行倾斜金属导轨与两条粗糙平
行水平金属导轨的间距均为L，倾斜导轨与水平面的夹角为
、上端接有一阻值为R 的电阻，水平导轨左
端接有一电容为C 的电容器，倾斜导轨与水平导轨间通过开关（图中未画出）平滑相连接。导轨均处于匀
强磁场中，磁场方向均垂直于导轨平面向上，磁感应强度大小均为B。在倾斜导轨上某处由静止释放一质
量为m 的金属棒，经过时间t，金属棒沿倾斜导轨下滑到底端，此时金属棒已做匀速运动，进入水平导轨
时开关受到触发而断开。已知金属棒在滑动过程中始终与导轨垂直并接触良好，与水平导轨间的滑动摩擦
因数为
，重力加速度为g，不计金属棒和导轨的电阻。求：
（1）金属棒下滑到倾斜导轨底端时，金属棒的速度大小v。
（2）金属棒下滑过程中，通过电阻R 的电荷量q。
（3）金属棒在水平导轨上滑行的位移大小x。
【模型演练4】（2023 春·浙江舟山·高三统考期末）如图1 所示，空间存在方向竖直向下、磁感应强度大
小B=0.5T 的匀强磁场，有两条平行的长直导轨MN、PQ 处于同一水平面内，间距L=0.2m，左端连接阻值
的电阻。质量m=0.1kg 的导体棒ab 垂直跨接在导轨上，与导轨间的动摩擦因数
。从t=0
时刻开始，通过一小型电动机对棒施加—个水平向右的牵引力，使棒从静止开始沿导轨方向做加速运动，
此过程中棒始终保持与导轨垂直且接触良好。除R 以外其余部分的电阻均不计。
（1）若电动机以恒定功率输出，棒在t=10s 时达到最大速度
，此后保持匀速。求导体棒达到最
大速度
时牵引力的大小；
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（2）第（1）问中已知0～10s 内电阻上产生的热量Q=30J，求导体棒从静止开始达到最大速度
时的位移
大小；
（3）若电动机对棒保持恒定牵引力F=0.3N、且将电阻换为C=10F 的电容器（耐压值足够大），如图2 所
示，求t=10s 时牵引力的功率。
六．含“源”电动式模型
1.开关S 刚闭合时，ab 杆所受安培力F＝，此时a＝.速度v↑⇒E 感＝BLv↑⇒I↓⇒F＝BIL↓⇒加速度a↓，当E 感
＝E 时，v 最大，且vm＝
2.动力学观点：分析最大加速度、最大速度
3.能量观点：消耗的电能转化为动能与回路中的焦耳热
4.动量观点：分析导体棒的位移、通过的电荷量
【模型演练1】（2023 春·北京丰台·高三北京市第十二中学校考期末）将电源、开关、导体棒与足够长的
光滑平行金属导轨连接成闭合回路，整个回路水平放置，俯视图如图所示，虚线右侧存在竖直向上的匀强
磁场。已知磁感应强度为B，电源电动势为E、内阻为r。导体棒的质量为m，电阻为r，长度恰好等于导
轨间的宽度L，且与导轨间接触良好，不计金属轨道的电阻。
（1）求闭合开关瞬间导体棒的加速度的大小a；
（2）分析说明开关闭合后，导体棒的运动过程，并求导体棒最终的速度大小v；
（3）当导体棒的速度从0 增加到v1的过程中，通过导体棒的电量为q，求此过程中导体棒产生的焦耳热
Q。
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【模型演练2】（2023·安徽芜湖·芜湖一中校考模拟预测）如图1 所示，固定于水平面的足够长光滑U 形导
体框处于竖直向下、磁感应强度大小为B 的匀强磁场中，导体框两平行导轨间距为L，左端接一电动势为
E、内阻为r 的电源。一质量为m、电阻为R、长度也为L 的导体棒
垂直导体框放置并接触良好。闭合开
关S，导体棒从静止开始运动。忽略一切阻力和导体框的电阻，重力加速度为g。
（1）闭合开关S 后，导体棒由静止开始到达到稳定状态的过程中，求通过导体棒
的电荷量q 和整个回
路产生的焦耳热
；
（2）如果将导体棒左侧通过轻绳和光滑定滑轮连接一质量为M 的重物（如图2 所示），闭合开关S，导体
棒向右运动的过程中可以将重物提升一定高度，这就是一种简化的直流电动机模型，被提升的重物M 即为
电动机的负载。电动机达到稳定状态时物体匀速上升，求此时导体棒
两端的电势差
及速度
的大小。
【模型演练3】（2023 春·北京海淀·高三首都师范大学附属中学校考期中）如图所示，水平放置且足够长
的两条平行金属导轨，一端由电源和开关相连，导轨间距
，电源的电动势和内阻分别为
、
。一根电阻
的金属杆垂直于导轨放置。无限大匀强磁场与导轨平面垂直，磁感应强度
。不计导轨电阻，金属杆质量
，与导轨的动摩擦因数
，重力加速度
。
（1）求开关刚闭合瞬间流过金属棒的电流
和最终流过金属棒的电流
；
（2）定性绘制出金属棒的加速度随时间变化图像曲线，并求当金属棒获得
的速度时金属棒的加
速度大小；
（3）若在金属杆的运动过程中不计任何阻力，求整个过程中流过金属杆的总电荷量q。
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