Question

如图，一个很长的竖直放置的圆柱形磁铁，产生一个辐射状的磁场（磁场水平向外），其大小为B=K/r，r为半径，设一个与磁铁同轴的圆形铝环，半径为R（大于圆柱形磁铁半径），而弯成铝环的铝丝其截面积为S，铝丝电阻率为ρ，密度为ρ．铝环通过磁场由静止开始下落，下落过程中铝环平面始终保持水平．试求：
（1）铝环下落速度为v时的电功率？
（2）铝环下落的最终速度？
（3）当下落h高度时，速度最大，此过程中圆环消耗的电能？

Answer 1

【答案】分析：（1）根据电阻定律求出圆环的电阻，根据法拉第电磁感应定律求出切割磁感线产生的电动势，根据电功率的表达式求解．
（2）当圆环加速度为零时，有最大速度，由平衡条件求解．
（3）由能量守恒定律求解．
解答：解：（1）由题意知圆环所在处的磁感应强度B=，圆环的有效切割长度为其周长，即L=2πR，
圆环的电阻R==，当圆环的速度为v时，切割磁感线产生的电动势E=BLv=2kπv，
圆环中的电流I=，圆环速度为v时电功率P=I²R
联立以上各式解得：P=
（2）当圆环加速度为零时，有最大速度v_m，此时安培力F=BIL=
由平衡条件可知：mg=F，圆环的质量m=ρS?2πR
 解得：v_m=
（3）由能量守恒定律得：
mgh=m+Q 
解得：Q=2πρRS[gh-（）²]
答：（1）铝环下落速度为v时的电功率是
（2）铝环下落的最终速度是
（3）当下落h高度时，速度最大，此过程中圆环消耗的电能是2πρRS[gh-（）²]．
点评：解决该题关键是把电磁感应与电路知识，能量守恒定律结合起来求解．