Question

如图所示，水平地面上方的H高区域内有匀强磁场，水平界面PP′是磁场的上边界，磁感应强度为B，方向是水平的，垂直于纸面向里．在磁场的正上方，有一个位于竖直平面内的闭合的矩形平面导线框abcd，ab长为l₁，bc长为l₂，H＞l₂，线框的质量为m，电阻为R．使线框abcd从高处自由落下，ab边下落的过程中始终保持水平，已知线框进入磁场的过程中的运动情况是：cd边进入磁场以后，线框先做加速运动，然后做匀速运动，直到ab边到达边界PP′为止．从线框开始下落到cd边刚好到达水平地面的过程中，线框中产生的焦耳热为Q．求：
（1）线框abcd在进入磁场的过程中，通过导线的某一横截面的电荷量是多少？
（2）cd边进入磁场以后，线框先做加速运动，然后做匀速运动，求匀速运动时的速度？
（3）线框是从cd边距边界PP′多高处开始下落的？

Answer 1

分析：（1）根据q=

.

I

△t=

△Φ

R

求通过导线某一横截面的电荷量．
（2）当重力等于安培力时，线框做匀速运动，根据mg=BIl₁，I=

Bl1v

R

，可求出匀速运动的速度．
（3）只有在线框进入磁场的过程中有焦耳热Q．线框从开始下落到ab边刚进入磁场的过程中，运用能量守恒知，线框的重力势能转化为线框的动能和电路中的焦耳热．

解答：（1）设线框abcd进入磁场的过程所用时间为t，通过线框的平均电流为I，平均感应电动势为

.

E

，
       则

.

E

=

△Φ

△t

，

.

I

=

. E

R

，△Φ=Bl₁l₂
通过导线的某一横截面的电荷量q=

.

I

△t=

△Φ

R

=

Bl1l2

R

．
（2）设线框从cd边距边界PP′上方h高处开始下落，cd边进入磁场后，切割磁感线，产生感应电流，在安培力作用下做加速度逐渐减小的加速运动，直到安培力等于重力后匀速下落，速度设为v，匀速过程一直持续到ab边进入磁场时结束，有
E=Bl₁v，I=

E

R

，F_A=BIl₁，F_A=mg
解得 v=

mgR

B2l12

                                             
（3）线框的ab边进入磁场后，线框中没有感应电流．只有在线框进入磁场的过程中有焦耳热Q．线框从开始下落到ab边刚进入磁场的过程中，线框的重力势能转化为线框的动能和电路中的焦耳热．则有
mg(h+l2)=

1

2

mv2+Q
解得h=

m3g2R2+2QB4l14

2mgB4l14

-l2．

点评：解决本题的关键掌握求解电量得方法，q=

.

I

△t=

△Φ

R

．以及会根据线框的受力情况判断运动情况．