Question

如下圖所示，水平地面上方的H高區(qū)域內(nèi)有勻強(qiáng)磁場，水平界面PP′是磁場的上邊界，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，方向是水平的，垂直于紙面向里.在磁場的正上方，有一個(gè)位于豎直平面內(nèi)的閉合的矩形平面導(dǎo)線框abcd,ab長為l₁,bc長為l₂,H＞l₂,線框的質(zhì)量為m、電阻為R.現(xiàn)使線框abcd從高處自由落下，ab邊下落的過程中始終保持水平，已知線框進(jìn)入磁場的過程中的運(yùn)動(dòng)情況是：cd邊進(jìn)入磁場以后，線框先做加速運(yùn)動(dòng)，然后做勻速運(yùn)動(dòng)，直到ab邊到達(dá)邊界PP′為止.從線框開始下落到cd邊剛好到達(dá)水平地面的過程中，線框中產(chǎn)生的焦耳熱為Q.求：

（1）線框abcd在進(jìn)入磁場的過程中，通過導(dǎo)線的某一橫截面的電荷量是多少？

（2）線框是從cd邊距邊界PP′多高處開始下落的？

（3）線框的cd邊到達(dá)地面時(shí)線框的速度大小是多少？

Answer 1

（1）q=

（2）h=-l₂

（3）v₂=

解析：（1）設(shè)線框abcd進(jìn)入磁場的過程所用時(shí)間為t，通過線框的平均電流為I，平均感應(yīng)電動(dòng)勢為，則=

=

ΔΦ=Bl₁l₂可得

=·=

通過導(dǎo)線的某一橫截面的電荷量

q=·t=.

（2）設(shè)線框從cd邊距邊界PP′上方h高處開始下落，cd邊進(jìn)入磁場后，切割磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電流，受到安培力.線框在重力和安培力作用下做加速度逐漸減小的加速運(yùn)動(dòng)，直到安培力等于重力后勻速下落，速度設(shè)為v，勻速過程一直持續(xù)到ab邊進(jìn)入磁場時(shí)結(jié)束，有

ε=Bl₁v

I=

F_安=BIl₁,F_安=mg

可得=mg

速度v=

線框的ab邊進(jìn)入磁場后，線框中沒有感應(yīng)電流，只有在線框進(jìn)入磁場的過程中有焦耳熱Q.

線框從開始下落到ab邊剛進(jìn)入磁場的過程中，線框的重力勢能轉(zhuǎn)化為線框的動(dòng)能和電路中的焦耳熱

mg(h+l₂)=mv²+Q

得h=-l₂.

（3）線框的ab邊進(jìn)入磁場后，在只有重力的作用下加速下落，有

mv₂²-mv²=mg(H-l₂)

cd邊到達(dá)地面時(shí)線框的速度v₂=.