Question

如圖所示，在高度差h=0.5m的平行虛線范圍內(nèi)有勻強(qiáng)磁場，磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B=0.5T，方向垂直于豎直平面向里．正方形線框abcd，其質(zhì)量為m=0.1kg，邊長為L=0.5m，電阻為R=0.5Ω，線框平面與豎直平面平行．線框靜止在位置I時，cd邊與磁場的下邊緣有一段距離，現(xiàn)用一豎直向上的恒力F=4.0N向上拉動線框，使線框從位置Ⅰ無初速的向上運(yùn)動，并穿過磁場區(qū)域，最后到達(dá)位置Ⅱ（ab邊剛好出磁場）．線框平面在運(yùn)動過程中始終在豎直平面內(nèi)，且cd邊保持水平．設(shè)cd邊剛進(jìn)入磁場時，線框恰好開始做勻速運(yùn)動．
求：（1）線框進(jìn)入磁場前與磁場下邊界的距離H；
（2）線框從位置Ⅰ運(yùn)動到位置Ⅱ的過程中，恒力F做的功及線框內(nèi)產(chǎn)生的熱量．

Answer 1

【答案】分析：（1）cd邊剛進(jìn)入磁場時，線框恰好開始做勻速運(yùn)動，分析線框的受力，由平衡條件列式得到安培力的大小，根據(jù)法拉第定律、歐姆定律得到安培力與速度的關(guān)系式，即可求出線框剛進(jìn)入磁場時的速度．線框進(jìn)入磁場前做勻加速運(yùn)動，由動能定理列式求H．
（2）恒力F做功直接根據(jù)功的公式計算．根據(jù)能量守恒定律求解線框內(nèi)產(chǎn)生的熱量．
解答：解：（1）由于線框cd邊剛進(jìn)入磁場時，線框恰好開始做勻速運(yùn)動，故此時線框所受合力為零，分析可知 F-mg-F_A=0
設(shè)此時線框的運(yùn)動速度為v，安培力F_A=BIL
感應(yīng)電流    I=     
感應(yīng)電動勢    E=BLv
聯(lián)立以上各式解得：線框勻速穿過磁場時的速度 v=
代入數(shù)據(jù)，解得：v=24 m/s
根據(jù)動能定理，線框從Ⅰ位置到cd邊剛進(jìn)入磁場的過程中，有
   F?H-mg?H=
代入數(shù)據(jù)，解得：H=9.6 m
（2）恒力F做的功 W=F?（H+h+L）  
代入數(shù)據(jù)，解得 W=42.4 J 
從cd邊進(jìn)入磁場到ab邊離開磁場的過程中，拉力F所做的功等于線框增加的重力勢能和產(chǎn)生的熱量Q，即
  F?（h+L）=mg?（h+L）+Q  
代入數(shù)據(jù)，解得 Q=3.0 J
答：
（1）線框進(jìn)入磁場前與磁場下邊界的距離H是9.6m；
（2）線框從位置Ⅰ運(yùn)動到位置Ⅱ的過程中，恒力F做的功是42.4J，線框內(nèi)產(chǎn)生的熱量是3J．
點評：本題是電磁感應(yīng)與力學(xué)、電路知識的綜合，掌握電磁感應(yīng)中的基本規(guī)律，如法拉第定律、歐姆定律，結(jié)合力學(xué)的動能定理和平衡條件進(jìn)行研究．對于第2題中熱量，也可以根據(jù)焦耳定律這樣列式求解：Q=I²Rt=（）²?R?（=3.0 J．