Question

隨著越來(lái)越高的摩天大樓在各地的落成，至今普遍使用的鋼索懸掛式電梯已經(jīng)漸漸地不適用了。這是因?yàn)殇撍鞯拈L(zhǎng)度隨著樓層的增高而相應(yīng)增加，這些鋼索會(huì)由于承受不了自身的重量，還沒(méi)有掛電梯就會(huì)被扯斷。為此，科學(xué)技術(shù)人員正在研究用磁動(dòng)力來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。如圖所示就是一種磁動(dòng)力電梯的模擬機(jī)，即在豎直平面上有兩根很長(zhǎng)的平行豎直軌道，軌道間有垂直軌道平面的勻強(qiáng)磁場(chǎng)B₁和B₂，且B₁和B₂的方向相反，大小相等，即B₁= B₂=1T，兩磁場(chǎng)始終豎直向上作勻速運(yùn)動(dòng)。電梯橋廂固定在如圖所示的一個(gè)用超導(dǎo)材料制成的金屬框abcd內(nèi)（電梯橋廂在圖中未畫(huà)出），并且與之絕緣．電梯載人時(shí)的總質(zhì)量為5×10³kg，所受阻力F_f=500N，金屬框垂直軌道的邊長(zhǎng)L_cd=2m，兩磁場(chǎng)的寬度均與金屬框的邊長(zhǎng)L_ac相同，金屬框整個(gè)回路的電阻R=9.5×10^－4Ω，假如設(shè)計(jì)要求電梯以v₁=10m/s的速度向上勻速運(yùn)動(dòng)，那么，

（1）磁場(chǎng)向上運(yùn)動(dòng)速度v₀應(yīng)該為多大？
（2）在電梯向上作勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，為維持它的運(yùn)動(dòng)，外界必須提供能量，那么這些能量是由誰(shuí)提供的？此時(shí)系統(tǒng)的效率為多少？

Answer 1

（1） 13m/s   （2）  76.2％  

（1）當(dāng)電梯向上用勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬框中感應(yīng)電流大小為
                                  ①（2分）
金屬框所受安培力                ②（2分）
安培力大小與重力和阻力之和相等，所以
                                  ③（2分）
由①②③式求得：v₀="13m/s.                            " （1分）
（2）運(yùn)動(dòng)時(shí)電梯向上運(yùn)動(dòng)的能量由磁場(chǎng)提供的．              （1分）
磁場(chǎng)提供的能量分為兩部分，一部分轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘倏虻膬?nèi)能，另一部分克服電梯的重力和阻力做功．當(dāng)電梯向上作勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬框中感應(yīng)電流由①得：
      I =1.26×10⁴A                                 （1分）
金屬框中的焦耳熱功率為：P₁ = I²R =1.51×10⁵W        ④（1分）
而電梯的有用功率為：P₂ = mgv₁=5×10⁵W              ⑤（1分）
阻力的功率為：P₃ = F_f v₁=5×10³W                    ⑥（1分）
從而系統(tǒng)的機(jī)械效率=％           ⑦（1分）
=76.2％                        ⑧ （1分）