Question

（2010?湖南模擬）如圖甲所示，一邊長(zhǎng)為L(zhǎng)，質(zhì)量為m，電阻為R的正方形金屬框豎直放置在磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直方框平面，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小隨y的變化規(guī)律為B=B_H+ky，k為恒定常數(shù)，同一水平面上磁感應(yīng)強(qiáng)度相同．現(xiàn)將方框從如圖所示位置自由下落，重力加速度為g，不計(jì)空氣阻力，設(shè)磁場(chǎng)區(qū)域足夠大．
（1）判定方框中感應(yīng)電流的方向；
（2）通過(guò)計(jì)算確定方框最終運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)；
（3）圖乙為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E隨下降高度y的變化圖象，求方框從初位置下落H高度時(shí)產(chǎn)生的熱量Q．

Answer 1

分析：（1）金屬框下落過(guò)程中，穿過(guò)線框的磁通量增大，根據(jù)楞次定律判斷感應(yīng)電流方向．
（2）線框在磁場(chǎng)中，做加速度逐漸減小的變加速運(yùn)動(dòng)，直至最后加速度為零，即做勻速運(yùn)動(dòng)．線框下落時(shí)，上、下兩邊都切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由E=BLv求出回路中總的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由歐姆定律求出感應(yīng)電流的大小，得到安培力的大小，由牛頓第二定律求出勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度．
（3）由圖象可得線框下落H高度時(shí)做勻速運(yùn)動(dòng)，線框的重力勢(shì)能減小轉(zhuǎn)化為線框的動(dòng)能和內(nèi)能，根據(jù)能量守恒定律求出金屬框下落H高度過(guò)程中產(chǎn)生的熱量Q．

解答：解：（1）向下磁通量是逐漸增加的，由楞次定律可知，方框中感應(yīng)電流方向?yàn)槟鏁r(shí)針．
（2）線框在磁場(chǎng)中，做加速度逐漸減小的變加速運(yùn)動(dòng)，直至最后加速度為零，即做勻速運(yùn)動(dòng)．
設(shè)線框運(yùn)動(dòng)t時(shí)間后下落h高度，豎直方向速度為v_y，切割磁感線產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)為：
E=B_下Lv_y-B_上Lv_y
I=

E

R

mg-（B_下LI-B_上LI）=ma
又  B_下-B_上=（B₀+ky_下）-（B₀+ky_上）=k（y_下-y_上）=kL
聯(lián)立解得：a=g-

k2L4vy

mR

則知豎直方向先做加速度減小的變加速運(yùn)動(dòng)，最終勻速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)a=0時(shí)，速度最大，最大速度為v_m=

mRg

k2L4

（3）由圖象可得線框下落H高度時(shí)做勻速運(yùn)動(dòng)，由能量守恒定律得：
Q=mgH-

1

2

mv_m²=mgH-

m3R2g2

2k4L8

答：（1）方框中感應(yīng)電流的方向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较颍?br />（2）豎直方向先做加速度減小的變加速運(yùn)動(dòng)，最終勻速運(yùn)動(dòng)，最終的速度為

mRg

k2L4

；
（3）方框從初位置下落H高度時(shí)產(chǎn)生的熱量Q是mgH-

m3R2g2

2k4L8

．

點(diǎn)評(píng)：本題的解題關(guān)鍵是推導(dǎo)出安培力與y的關(guān)系，分析線框的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，考查綜合分析電磁感應(yīng)與力學(xué)綜合題的能力．