Question

如圖所示，在絕緣光滑的水平面上，有一個(gè)質(zhì)量為m、邊長為L的正方形線框，用一垂直于ab 邊的恒定外力將正方形線框以速率v₁勻速拉進(jìn)磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的有界勻強(qiáng)磁場區(qū)域，當(dāng)正方形線框全部進(jìn)入磁場后立即將外力撤去，線框最終能完全離開磁場，若測得cd邊剛要離開磁場時(shí)速率為v₂，已知磁場方向豎直向下，寬度為5L，正方形線框每條邊的電阻均為R，求：
（1）恒定外力的大小；
（2）線框ab邊剛進(jìn)磁場到剛要出磁場時(shí)所用時(shí)間t和cd邊剛要離開磁場時(shí)的電勢差Ucd；
（3）整個(gè)過程中產(chǎn)生的焦耳熱Q．

Answer 1

【答案】分析：（1）外力將線框勻速拉進(jìn)勻強(qiáng)磁場區(qū)域，外力與安培力二力平衡．根據(jù)公式E₁=Blv₁、I₁=、F_安=BI₁l求得安培力，即可由平衡條件求出外力的大小．
（2）線框ab邊剛進(jìn)磁場時(shí)做勻速直線運(yùn)動，撤去外力后完全進(jìn)入磁場，沒有感應(yīng)電流產(chǎn)生，不受安培力，在未出磁場前仍是勻速運(yùn)動，所以t=．
cd邊剛要離開磁場時(shí)，根據(jù)E₂=Blv₂、I₂=求出感應(yīng)電流，由歐姆定律求電勢差U_cd．
（3）根據(jù)功能關(guān)系求整個(gè)過程中產(chǎn)生的焦耳熱Q．
解答：解：（1）線框ab邊剛進(jìn)入磁場時(shí)，E₁=Blv₁，
線框中感應(yīng)電流  I₁=，
安培力F_安=BI₁l，
線框進(jìn)入磁場時(shí)做勻速運(yùn)動，F(xiàn)_外=F_安．
聯(lián)立以上各式得：外力F_外=
（2）線框ab邊剛進(jìn)磁場時(shí)做勻速直線運(yùn)動，撤去外力后完全進(jìn)入磁場，沒有感應(yīng)電流產(chǎn)生，不受安培力，在未出磁場前仍是勻速運(yùn)動，則線框ab邊剛進(jìn)磁場到剛要出磁場時(shí)所用時(shí)間t=．
cd邊剛要離開磁場時(shí)，cd邊產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢 E₂=Blv₂、
此時(shí)回路中感應(yīng)電流  I₂=，
由歐姆定律得電勢差U_cd=I₂?3R=Blv₂（因?yàn)閐點(diǎn)電勢低于c點(diǎn)電勢）
（3）進(jìn)入磁場過程中產(chǎn)生的焦耳熱等于克服安培力做功，即Q₁=F_安l=
穿出磁場過程中，產(chǎn)生的焦耳熱為Q₂=-
所以全過程產(chǎn)生的焦耳熱為Q=Q₁+Q₂=+-
答：
（1）恒定外力的大小是；
（2）線框ab邊剛進(jìn)磁場到剛要出磁場時(shí)所用時(shí)間t為．
cd邊剛要離開磁場時(shí)的電勢差U_cd是Blv₂．
（3）整個(gè)過程中產(chǎn)生的焦耳熱Q是+-．
點(diǎn)評：安培力是聯(lián)系電磁感應(yīng)與力學(xué)知識的橋梁，要熟練地由法拉第電磁感應(yīng)定律、歐姆定律推導(dǎo)出安培力表達(dá)式．