问题 问答题

如图甲所示,在虚线框两侧区域存在有大小为B、方向分别为水平向左和水平向右的匀强磁场.用薄金属条制成的闭合正方形框aa′b′b边长为L,质量为m,电阻为R.现将金属方框水平地放在磁场中,aa′边、bb′边分别位于左、右两边的磁场中,方向均与磁场方向垂直,乙图是从上向下看的俯视图.金属方框由静止开始下落,其平面在下落过程中保持水平(不计空气阻力).

(1)请根据乙图指出下落时方框中感应电流的方向;

(2)求方框下落的最大速度vm(设磁场区域在竖直方向足够长);

(3)当方框下落的加速度为 

g
2
 时,求方框内感应电流的功率P;

(4)从静止开始经过时间t,方框下落高度为h,速度为vt(vt<vm).若在这段时间内感应电流做的功与一恒定电流I0在t时间内在该框内做的功相同,求恒定电流I0的表达式.

答案

(1)金属框竖直向下运动,垂直切割磁感线,根据右手定则判断得知:感应电流的方向沿顺时针方向.

(2)最大速度时,线框做匀速运动,线框受到的安培力与重力平衡,此时线框所受的安培力大小为

   F=2 BIL=

4B2L2vm
R

由平衡条件得 F=mg

联立解得 vm=

mgR
4B2L2
 

(3)当方框下落的加速度为a=

g
2
时,

根据牛顿第二定律得:ma=mg-F=mg-2BIL   

得I=

mg
4BL
 

则方框内感应电流的功率P=I2R=

m2g2R
16B2L2

(4))从静到方框下落高度为h的过程中,根据能量守恒得

  mgh=

1
2
mvt2+I02Rt  

 解得I0=

mg(H+h)-
1
2
m
v2t
Rt

答:

(1)下落时方框中感应电流的方向是顺时针方向;

(2)方框下落的最大速度vm

mgR
4B2L2

(3)当方框下落的加速度为

g
2
时,方框内感应电流的功率P为
m2g2R
16B2L2

(4)恒定电流I0的表达式为I0=

mg(H+h)-
1
2
m
v2t
Rt

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