导体切割磁感线的运动可以从宏观和微观两个角度来认识。如图所示,固定于水平面的U型导线框处于竖直向下的匀强磁场中,金属直导线MN在于其垂直的水平恒力F作用下,在导线框上以速度v做匀速运动,速度v与恒力F的方向相同:导线MN始终与导线框形成闭合电路。已知导线MN电阻为R,其长度
恰好等于平行轨道间距,磁场的磁感应强度为B。忽略摩擦阻力和导线框的电阻。
(1) 通过公式推导验证:在
时间内,F对导线MN所做的功W等于电路获得的电能
,也等于导线MN中产生的焦耳热Q;
(2)若导线MN的质量m=8.0g,长度L=0.10m,感应电流
=1.0A,假设一个原子贡献一个自由电子,计算导线MN中电子沿导线长度方向定向移动的平均速率ve(下表中列出一些你可能会用到的数据);
| 阿伏伽德罗常数NA |
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| 元电荷 |
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| 导线MN的摩尔质量 |
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(3)经典物理学认为,金属的电阻源于定向运动的自由电子和金属离子(即金属原子失去电子后的剩余部分)的碰撞。展开你想象的翅膀,给出一个合理的自由电子的运动模型;在此基础上,求出导线MN中金属离子对一个自由电子沿导线长度方向的平均作用力f的表达式。