Question

如圖所示，一質(zhì)量m=0.5kg的“日”字形勻質(zhì)導(dǎo)線(xiàn)框“abdfeca”靜止在傾角a=37°的 粗糙斜面上，線(xiàn)框各段長(zhǎng)ab=cd=ef=ac=bd=ce=df=L=0.5m，ef與斜面底邊重合，線(xiàn)框與斜面間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.25，ab、cd、ef三段的阻值相等、均為R═0.4Ω，其余部 分電阻不計(jì)．斜面所在空間存在一有界矩形勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域GIJH，其寬度GI=HJ=L，長(zhǎng)度IJ＞L，IJ∥ef，磁場(chǎng)垂直斜面向上，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=1T．現(xiàn)用一大小F=5N、方向沿斜 面向上且垂直于ab的恒力作用在ab中點(diǎn)，使線(xiàn)框沿斜面向上運(yùn)動(dòng)，ab進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)線(xiàn)框恰 好做勻速運(yùn)動(dòng)．若不計(jì)導(dǎo)線(xiàn)粗細(xì)，重力加速度g=10m/s²，sin37=0.6，cos37=0.8．求：
（1）ab進(jìn)入磁場(chǎng)前線(xiàn)框運(yùn)動(dòng)的加速度大小a．
（2）cd在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，外力克服安培力做功的功率P．
（3）線(xiàn)框從開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到ef恰好穿出磁場(chǎng)的過(guò)程中，線(xiàn)框中產(chǎn)生的焦耳熱與外力F做功的比值

Q

W

．

Answer 1

分析：（1）對(duì)于線(xiàn)框進(jìn)入磁場(chǎng)前的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，根據(jù)牛頓第二定律求解加速度a的大�。�
（2）ab進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)線(xiàn)框恰好做勻速運(yùn)動(dòng)，只有一邊切割磁感線(xiàn)，當(dāng)cd在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，有且僅有一條邊切割磁感線(xiàn)，等效電路也相同，所以線(xiàn)框一直做勻速運(yùn)動(dòng)，根據(jù)平衡條件和安培力與速度的關(guān)系式，求出線(xiàn)框勻速運(yùn)動(dòng)的速度v，即由公式P=F_安v求解外力克服安培力做功的功率P．
（3）由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式求出ab進(jìn)入磁場(chǎng)前線(xiàn)框發(fā)生的位移x，外力F做功為W=F（x+3L），線(xiàn)框中產(chǎn)生的焦耳熱等于克服安培力所做的功．

解答：解：（1）ab進(jìn)入磁場(chǎng)前，線(xiàn)框做勻加速運(yùn)動(dòng)，所受的摩擦力大小為：f=μmgcosα=0.25×0.5×10×cos37°N=1N，
由牛頓第二定律有：F-mgsinα-f=ma
代入數(shù)據(jù)解得：a=

F-mgsinα-f

m

=

5-0.5×10×sin37°-1

0.5

m/s²=2m/s²，
（2）由于線(xiàn)框穿越磁場(chǎng)的過(guò)程中有且僅有一條邊切割磁感線(xiàn)，等效電路也相同，所以線(xiàn)框一直做勻速運(yùn)動(dòng)，設(shè)速度大小為v，
由力的平衡條件有：
  F=mgsinα+μmgcosα+F_安
代入數(shù)據(jù)解得：F_安=1N
而安培力F_安=BIL=

B2L2v

R總

回路的總電阻為 R_總=R+

R

2

=0.4+0.2=0.6Ω
解得：v=2.4m/s
所以 P=F_安v=2.4W
（3）設(shè)ab進(jìn)入磁場(chǎng)前線(xiàn)框發(fā)生的位移為x，
則 x=

v2

2a

=

2．42

2×2

m=1.44m
而 Q=F_安×3L=1×3×0.5J=1.5J
  W=F（x+3L）=5×（1.44+3×0.5）J=14.7J
 

Q

W

=

1.5

14.7

=

5

49

答：（1）ab進(jìn)入磁場(chǎng)前線(xiàn)框運(yùn)動(dòng)的加速度大小a為2m/s²．
（2）cd在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，外力克服安培力做功的功率P為2.4W．
（3）線(xiàn)框從開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到ef恰好穿出磁場(chǎng)的過(guò)程中，線(xiàn)框中產(chǎn)生的焦耳熱與外力F做功的比值

Q

W

為

5

49

．

點(diǎn)評(píng)：按順序分析線(xiàn)框的受力情況，確定其運(yùn)動(dòng)情況是解決本題的關(guān)鍵點(diǎn)，同時(shí)要熟練推導(dǎo)出安培力與速度的關(guān)系，知道克服安培力做功等于線(xiàn)框產(chǎn)生的熱量．