Question

5．如圖所示，虛線框內(nèi)為某種電磁緩沖車的結(jié)構(gòu)示意圖，其主要部件為緩沖滑塊 K和質(zhì)量為m的緩沖車廂．在緩沖車的底板上，沿車的軸線固定著兩個(gè)光滑水平絕緣導(dǎo)軌PQ、MN．緩沖車的底部，安裝電磁鐵（圖中未畫出），能產(chǎn)生垂直于導(dǎo)軌平面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B．導(dǎo)軌內(nèi)的緩沖滑塊K由高強(qiáng)度絕緣材料制成，滑塊K上繞有閉合矩形線圈abcd，線圈的總電阻為R，匝數(shù)為n，ab邊長(zhǎng)為L(zhǎng)．假設(shè)緩沖車以速度v₀與障礙物C碰撞后，滑塊K立即停下，此后線圈與軌道的磁場(chǎng)作用力使緩沖車廂減速運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)緩沖，一切摩擦阻力不計(jì)．

（1）求滑塊K的線圈中最大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大��；
（2）若緩沖車廂向前移動(dòng)距離L后速度為零，則此過(guò)程線圈abcd中通過(guò)的電量和產(chǎn)生的焦耳熱各是多少？
（3）若緩沖車以某一速度v₀′（未知）與障礙物C碰撞后，滑塊K立即停下，緩沖車廂所受的最大水平磁場(chǎng)力為F_m．緩沖車在滑塊K停下后，其速度v隨位移x的變化規(guī)律滿足：v=v₀′-$\frac{{n}^{2}{B}^{2}{L}^{2}}{mR}$x．要使導(dǎo)軌右端不碰到障礙物，則緩沖車與障礙物C碰撞前，導(dǎo)軌右端與滑塊K的cd邊距離至少多大？

Answer 1

分析 （1）緩沖車以速度v₀與障礙物C碰撞后，滑塊相對(duì)磁場(chǎng)的速度大小為v₀，此時(shí)線框中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，由公式E_m=nBLv₀求出最大感應(yīng)電熱勢(shì)．
（2）根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律、歐姆定律和電流的定義式結(jié)合求電量．緩沖車廂向前移動(dòng)距離L后速度為零，緩沖車廂的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，根據(jù)能量守恒求線圈中產(chǎn)生的熱量；
（3）根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律、歐姆定律和安培力公式得到緩沖車廂所受的最大水平磁場(chǎng)力F_m與$v_0^'$的關(guān)系式，根據(jù)題意，$v=v_0^'-\frac{{{n^2}{B^2}{L^2}}}{mR}x$，當(dāng)v=0時(shí)，求出x．

解答 解：（1）緩沖車以速度v₀與障礙物C碰撞后，滑塊K立即停下，滑塊相對(duì)磁場(chǎng)的速度大小為v₀，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)最大，則有E_m=nBLv₀．
（2）由法拉第電磁感應(yīng)定律得：
E=n$\frac{△Φ}{△t}$，其中△Φ=BL²．
由歐姆定律得：$\overline{I}$=$\frac{E}{R}$
又$\overline{I}$=$\frac{q}{t}$
代入整理得：此過(guò)程線圈abcd中通過(guò)的電量為：q=n$\frac{B{L}^{2}}{R}$．
由功能關(guān)系得：線圈產(chǎn)生的焦耳熱為：Q=$\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$
（3）若緩沖車以某一速度$v_0^'$與障礙物C碰撞后，滑塊K立即停下，滑塊相對(duì)磁場(chǎng)的速度大小為$v_0^'$，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) E=nBL$v_0^'$，
線圈中感應(yīng)電流為 I=$\frac{E}{R}$
線圈ab邊受到的安培力F=nBIL
依題意有F=F_m．
解得，$v_0^'$=$\frac{{F}_{m}R}{{n}^{2}{B}^{2}{L}^{2}}$
由題意知，$v=v_0^'-\frac{{{n^2}{B^2}{L^2}}}{mR}x$，
當(dāng)v=0時(shí)，解得：x=$\frac{{F}_{m}m{R}^{2}}{{n}^{4}{B}^{4}{L}^{4}}$
答：（1）滑塊K的線圈中最大感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小是nBLv₀；
（2）若緩沖車廂向前移動(dòng)距離L后速度為零，則此過(guò)程線圈abcd中通過(guò)的電量和產(chǎn)生的焦耳熱各是n$\frac{B{L}^{2}}{R}$和$\frac{1}{2}m{v}_{0}^{2}$．
（3）緩沖車與障礙物C碰撞前，導(dǎo)軌右端與滑塊K的cd邊距離至少為$\frac{{F}_{m}m{R}^{2}}{{n}^{4}{B}^{4}{L}^{4}}$．

點(diǎn)評(píng) 本題考查學(xué)生分析和理解科技成果的能力，運(yùn)用電磁感應(yīng)、電路及力學(xué)的基本規(guī)律進(jìn)行分析．