Question

（2011?蘇州一模）2010 年上海世博會某國家館內(nèi)，有一“自發(fā)電”地板，利用游人走過此處，踩踏地板發(fā)電．其原因是地板下有一發(fā)電裝置，如圖（ l ）所示，裝置的主要結構是一個截面半徑為 r、匝數(shù)為 n 的線圈，無摩擦的套在磁場方向呈輻射狀的永久磁鐵槽中．磁場的磁感線沿半徑方向均勻分布，圖（ 2 ）為橫截面俯視圖．輕質地板四角各連接有一個勁度系數(shù)為 k 的復位彈簧（圖中只畫出其中的兩個），輕質硬桿P將地板與線圈連接，從而帶動線圈上下往返運動（線圈不發(fā)生形變），便能發(fā)電．若線圈所在位置磁感應強度大小為 B，線圈的總電阻為 R₀，現(xiàn)用它向一個電阻為 R 的小燈泡供電．為便于研究，將某人走過時對板的壓力使線圈發(fā)生的位移 x 隨時間 t 變化的規(guī)律簡化為圖（ 3 ）所示．（彈簧始終處在彈性限度內(nèi)，取線圈初始位置 x=0，豎直向下為位移的正方向）
①請在圖（ 4 ）所示坐標系中畫出線圈中感應電流 i 隨時間 t 變化的圖象，取圖（ 2 ） 中逆時針電流方向為正方向，要求寫出相關的計算和判定的過程
②t=

t0

2

時地板受到的壓力
③求人踩踏一次地板所做的功．

Answer 1

分析：（1）由右手定則可知線圈中電流的方向，由圖可知線圈做勻速直線運動，則由E=BLV可求線圈的電動勢，閉合電路歐姆定律可得出電流的大小，則可得出電流隨時間變化的圖象；
（2）由安培力公式求得

t0

2

是時刻線圈受到的安培力，則由受力平衡可求得地板受到的壓力；
（3）在踩踏過程中彈力做功為零，則人做的功轉化為電能，由能量守恒可求得人所做的功．

解答：解：（1）由右手定則可知，0～t₀時刻電流方向沿正方向，t0～2t₀時刻電流方向沿反方向；
線圈在磁場中運動的速度為v=

x0

t0

故電動勢的大小均為：E=nB2πrv
I=

E

R+R0

解得電流I=

2πnBrx0

(R+R0)t0

電路如圖所示：

（2）0～t₀時刻，線圈內(nèi)安培力方向向上，且F_安=nBI?2πr=

(2πnBr)2x0

(R+R0)t0

；

t0

2

時刻地板受到的壓力F_N=4k

x0

2

+F_安；
得地板受到的壓力F_N=2kx₀+

(2πnBr)2x0

(R+R0)t0

；
（3）全過程中彈力做功為零，則由功能關系可得：
人做的功：W=E_電=I²（R+R₀）2t₀=

8π2n2B2r2x02

(R+R0)t0

；

點評：本題巧妙地將我們所常見的導體切割磁感線類題目變形，由直線變成了曲線，但解法不變；解題的關鍵在于理確題目中線圈與磁場的關系、能量轉化的關系．