Question

【题目】电磁驱动是电磁感应现象的一个重要应用．

(1)如图所示，物理课上，老师做了一个奇妙的“跳环实验”．她把一个带铁芯的线圈、开关和电源用导线连接起来后，将一金属套环置于线圈上，且使铁芯穿过套环，闭合开关的瞬间，套环立刻跳起．关于这一实验，下列说法正确的是?

A．必须选择铁质的金属环才能出现“跳环”现象

B．电源无论选择交流还是直流，只要电压足够大，跳环都可以跳起

C．若将铁芯撤去，“跳环”的效果会更加明显

D．若在开关闭合的状态下，将金属环平衡地放置在图中位置，则开关断开的一瞬间，也能看到“跳环”现象．

(2)除上述利用感生电动势的电磁驱动以外，我们还可以利用动生电动势来完成电磁驱动．如图所示是利用磁场运动来带动金属棒运动的装置．

在水平面上有两根很长的平行轨道和，轨道末端接有阻值为的定值电阻，其间有垂直轨道平面的磁感应强离为的弱强磁场．自身电阻可忽略的金属棒放置于导轨上，可沿导轨滑动．两轨道间距及磁场宽度均为，棒始终保持与轨道垂直，且磁场范围足够大，以保证棒无论做何种运动均不会脱离磁场范围．当磁场沿轨道方向向右运动时，金属棒会受到向右的磁场力，带动其随磁场运动．假设金属棒静止时所受阻力为，则磁场至少要以多大的速度运动才能使金属棒从静止开始起动?

(3)设金属棒运动时所受阻力大小恒为，假如使金属棒水平向右以速度做匀速运动，求：

a.磁场运动的速度大小为多少?

b.单位时间内回路产生的焦耳热是多少?

(4)安培力对金属棒做的功是否全部转化为回路的焦耳热?若肯定，请说明理由；若否定，请用文字描述安培力做功使得金属棒和磁场体系的能量发生了怎样的转化?

(5)为了维持金属棒以速度运动，外界在单位时间内需对磁场做功多少？

Answer 1

【答案】(1) B (2) (3) a. b. (4) 安培力做功使金属棒和磁场的能量体系减弱，转化了一部分电路中的热量 (5)

【解析】

(1) 跳起的原理是闭合开关的瞬间，穿过套环的磁通量发生变化，产生感应电流，从而受到安培力，会向上跳起，依据楞次定律的特点，必须选金属环才能出现“跳环”现象，故A错误；电源无论选择交流还是直流，只要电压足够大，所受的安培力大于套环的重力，跳环都可以跳起故B正确；若将铁芯撤去，“跳环”的效果会明显减弱，故C错误；在开关闭合的状态下，将金属环平衡地放置在图中位置，则开关断开的一瞬间，不能看到“跳环”现象，故D错误。所以B正确，ACD错误。

(2)依据受力平衡当时，依据法拉第电磁感应定律．

依据欧姆定律，

则，故．

所以速度至少为．

(3) a.依据平衡关系，设磁场的速度为，

则．

故．

b.依据平衡关系，解得电流，依据热量公式：

，当时，则热量．

(4)安培力做的功不全部转化为热量，由题可得：，．

而电路中的焦耳热．

故安培力做功使金属棒和磁场的能量体系减弱，转化了一部分电路中的热量．

(5)由题可知，电路中产生的动势．

又因为导体棒产生的安培力，

，电路中产生的势功率，

克服阻力的功率，所以可求得，

外界在单位时间内需提供的总能量：．