题目内容

4.如图所示,空间存在竖直向下的有界匀强磁场B,一单匝边长为L,质量为m的正方形线框abcd放在水平桌面上,在水平外力作用下从左边界以速度v匀速进入磁场,当cd边刚好进入磁场后立刻撤去外力,线框ab边恰好能到达磁场的右边界,然后将线框以ab边为轴,以角速度ω匀速翻转到图示虚线位置.已知线框与桌面间动摩擦因数为μ,磁场宽度大于L,线框电阻为R,重力加速度为g,求:
(1)当ab边刚进入磁场时,ab两端的电压Uab;
(2)磁场的宽度d;
(3)整个过程中产生的总热量Q.

分析 (1)ab边相当于电源,根据切割公式求解感应电动势,根据闭合电路欧姆定律求解ab两端的电压Uab;
(2)根据安培力公式求解安培力,根据平衡条件求解拉力;根据运动学公式求解磁场的宽度d;
(3)匀速进入磁场过程是恒定电流,根据焦耳定律求解焦耳热;根据功能关系求解摩擦产生的热量;最后翻转过程是正弦式交流电,先根据Em=NBSω求解最大值,得到有效值,最后根据焦耳定律求解电热.

解答 解:(1)ab边相当于电源,根据切割公式,有:
E=BLv
根据闭合电路欧姆定律,有:
I=$\frac{E}{R}$=$\frac{BLv}{R}$
根据欧姆定律,有:
Uab=I×$\frac{3}{4}R$=$\frac{3BLv}{4}$
(2)根据平衡条件,有:
F=FA+μmg=$\frac{{B}^{2}{L}^{2}v}{R}+μmg$
撤去拉力后,线框匀减速运动,加速度为-μg,根据速度位移关系公式,有:
x1=$\frac{{v}^{2}}{2μg}$
所以:d=L+$\frac{{v}^{2}}{2μg}$
(3)进入磁场过程中产生焦耳热:
Q1=I2Rt1=$\frac{{B}^{2}{L}^{3}v}{R}$
由于摩擦产生的热量:
Q2=μmg(L+$\frac{{v}^{2}}{2μg}$)=$μmgL+\frac{1}{2}m{v}^{2}$
线框在绕ab轴翻转过程中,Em=BL2ω,有效值:
E=$\frac{B{L}^{2}ω}{\sqrt{2}}$
t=$\frac{1}{4}T=\frac{π}{2ω}$
产生焦耳热:
Q3=I2Rt=$\frac{{E}^{2}}{R}t$=$\frac{π{B}^{2}{L}^{4}ω}{4R}$;
所以整个过程产生的热量为:
Q=Q1+Q2+Q3=μmgL+$\frac{1}{2}$mv2+$\frac{{B}^{2}{L}^{3}v}{R}$+$\frac{π{B}^{2}{L}^{4}ω}{4R}$;
答:(1)当ab边刚进入磁场时,ab两端的电压Uab为$\frac{3BLv}{4}$;
(2)水平拉力F的大小为$\frac{{B}^{2}{L}^{2}v}{R}+μmg$,磁场的宽度d为L+$\frac{{v}^{2}}{2μg}$;
(3)整个过程中产生的总热量Q为μmgL+$\frac{1}{2}$mv2+$\frac{{B}^{2}{L}^{3}v}{R}$+$\frac{π{B}^{2}{L}^{4}ω}{4R}$.

点评 本题关键是将线框的运动过程分为匀速、匀减速、转动三个过程进行分析,注意最后的翻转过程是正弦式交流电.要注意求电功时要用交流电的有效值.

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