题目内容
如图所示,是磁流体动力发电机的工作原理图. 一个水平放置的上下、前后封闭的矩形塑料管,其宽度为a,高度为b,其内充满电阻率为ρ的水银,由涡轮机产生的压强差p使得这个流体具有恒定的流速v.管道的前后两个侧面上各有长为L的由铜组成的面,实际流体的运动非常复杂,为简化起见作如下假设:a.尽管流体有粘滞性,但整个横截面上的速度均匀;
b.流体的速度总是与作用在其上的合外力成正比;
c.导体的电阻:R=ρl/S,其中ρ、l和S分别为导体的电阻率、长度和横截面积;
d.流体不可压缩.
若由铜组成的前后两个侧面外部短路,一个竖直向上的匀强磁场只加在这两个铜面之间的区域,磁感强度为B(如图).
(1)写出加磁场后,两个铜面之间区域的电阻R的表达式
(2)加磁场后,假设新的稳定速度为v,写出流体所受的磁场力F与v关系式,指出F的方向
(3)写出加磁场后流体新的稳定速度v的表达式(用v、p、L、B、ρ表示);
(4)为使速度增加到原来的值v,涡轮机的功率必须增加,写出功率增加量的表达式(用v、a、b、L、B和ρ表示).
【答案】分析:(1)根据电阻定律求出两个铜面之间区域的电阻R的表达式.
(2)结合安培力的大小公式,以及
求出磁场力F与v关系式.根据左手定则得出磁场力的方向.
(3)不加磁场时,压力差等于kv,施加磁场时,压力差与安培力的合力等于kv,根据这两个关系求出新的稳定速度v的表达式.
(4)功率的增加量等于压力差功率的增加量,根据压力差的变化求出功率增加量的表达式.
解答:解:(1)根据电阻定律得,R=
,
(2)∵FA=BIa,
.
再利用(1)的结论,可推得
∴
.
力FA的方向与流速v的方向反向.
(3)不加磁场时:pab=kv.
加磁场时:pab-FA=kv.
由上面二式,得
.
再利用(2)的结论,可推得
.
(4)∵△P=P2-P1,P1=pabv,P2=p′abv,
∴△P=(p′ab-pab)v.
∵p′ab-FA′=kv,pab=kv,
∴△P=FA′v.
∵
.
∴
.
答:(1)两个铜面之间区域的电阻R的表达式R=
.
(2)流体所受的磁场力F与v关系式
,力FA的方向与流速v的方向反向.
(3)加磁场后流体新的稳定速度v的表达式
.
(4)功率增加量的表达式
.
点评:解决本题的关键掌握电阻定律、安培力大小和方向的判断,难点在于通过平衡求出流体新的稳定速度v的表达式.
(2)结合安培力的大小公式,以及
(3)不加磁场时,压力差等于kv,施加磁场时,压力差与安培力的合力等于kv,根据这两个关系求出新的稳定速度v的表达式.
(4)功率的增加量等于压力差功率的增加量,根据压力差的变化求出功率增加量的表达式.
解答:解:(1)根据电阻定律得,R=
(2)∵FA=BIa,
再利用(1)的结论,可推得
∴
力FA的方向与流速v的方向反向.
(3)不加磁场时:pab=kv.
加磁场时:pab-FA=kv.
由上面二式,得
再利用(2)的结论,可推得
(4)∵△P=P2-P1,P1=pabv,P2=p′abv,
∴△P=(p′ab-pab)v.
∵p′ab-FA′=kv,pab=kv,
∴△P=FA′v.
∵
∴
答:(1)两个铜面之间区域的电阻R的表达式R=
(2)流体所受的磁场力F与v关系式
(3)加磁场后流体新的稳定速度v的表达式
(4)功率增加量的表达式
点评:解决本题的关键掌握电阻定律、安培力大小和方向的判断,难点在于通过平衡求出流体新的稳定速度v的表达式.
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