Question

如圖所示，在距離水平地面h＝0.8 m的虛線的上方，有一個方向垂直于紙面水平向內(nèi)的勻強磁場。正方形線框abcd的邊長l＝0.2 m，質(zhì)量m＝0.1 kg，電阻R＝0.08 Ω。一條不可伸長的輕繩繞過輕滑輪，一端連線框，另一端連一質(zhì)量M＝0.2 kg的物體A。開始時線框的cd在地面上，各段繩都處于伸直狀態(tài)，從如圖所示的位置由靜止釋放物體A，一段時間后線框進(jìn)入磁場運動，已知線框的ab邊剛進(jìn)入磁場時線框恰好做勻速運動。當(dāng)線框的cd邊進(jìn)入磁場時物體A恰好落地，同時將輕繩剪斷，線框繼續(xù)上升一段時間后開始下落，最后落至地面。整個過程線框沒有轉(zhuǎn)動，線框平面始終處于紙面內(nèi)，g取10 m/s²。求：
(1)勻強磁場的磁感應(yīng)強度B？
(2)線框從開始運動到最高點，用了多長時間？
(3)線框落地時的速度多大？

Answer 1

解：(1)設(shè)線框到達(dá)磁場邊界時速度大小為v，由機械能守恒定律可得：
Mg(h－l)＝mg(h－l)＋(M＋m)v² ①
代入數(shù)據(jù)解得：v＝2 m/s ②
線框的ab邊剛進(jìn)入磁場時，感應(yīng)電流：I＝ ③
線框恰好做勻速運動，有：Mg＝mg＋I(xiàn)Bl ④
代入數(shù)據(jù)解得：B＝1 T ⑤
(2)設(shè)線框進(jìn)入磁場之前運動時間為t₁，有：h－l＝vt₁ ⑥
代入數(shù)據(jù)解得：t₁＝0.6 s ⑦
線框進(jìn)入磁場過程做勻速運動，所用時間：t₂＝＝0.1 s ⑧
此后輕繩拉力消失，線框做豎直上拋運動，到最高點時所用時間：t₃＝＝0.2 s ⑨
線框從開始運動到最高點，所用時間：t＝t₁＋t₂＋t₃＝0.9 s ⑩
(3)線框從最高點下落至磁場邊界時速度大小不變，線框所受安培力大小也不變，即
IBl＝(M－m)g＝mg
因此，線框穿過磁場過程還是做勻速運動，離開磁場后做豎直下拋運動．由機械能守恒定律可得：
mv₁²＝mv²＋mg(h－l)
代入數(shù)據(jù)解得線框落地時的速度：v₁＝4 m/s