Question

18．電磁緩沖裝置，能夠產(chǎn)生連續(xù)變化的電磁作用力，有效緩沖車輛問的速度差，避免車輛間發(fā)生碰撞和追尾事故．該裝置簡化為如下物理模型：如圖所示，水平面上有一個絕緣動力小車，在動力小車上豎直固定著一個長度L₁、寬度L₂的單匝矩形純電阻金屬線圈，線圈的總電阻為R，小車和線圈的總質(zhì)量為m，小車運動過程中所受阻力恒為f．開始時，小車靜止在緩沖區(qū)域的左側(cè)，線圈的右邊剛好與寬為d（d＞L₁）的緩沖區(qū)域的左邊界重合．緩沖區(qū)域內(nèi)有方向垂直線圈平面向里、大小為B的勻強磁場，現(xiàn)控制動力小車牽引力的功率，讓小車以恒定加速度a駛?cè)刖彌_區(qū)域，線圈全部進入緩沖區(qū)域后，立即開始做勻速直線運動，直至完全離開緩沖區(qū)域，整個過程中，牽引力的總功為W．
（1）線圈進入磁場過程中，通過線圈橫截面的電量：
（2）寫出線圈進入磁場過程中，牽引力的功率隨時間變化的關(guān)系式：
（3）線圈進入磁場過程中，線圈中產(chǎn)生的焦耳熱．

Answer 1

分析 （1）有電量的表達式：q=It求解即可，
（2）根據(jù)電磁感應知識求得牽引力的大小，再由功率公式：p=Fv求解即可
（3）分清運動形式，結(jié)合能量守恒求解，

解答 解：（1）線圈進入磁場過程中，通過線圈的電量：
q=$\overline{I}t$，根據(jù)歐姆定律得：$\overline{I}=\frac{\overline{E}}{R}$，
而由法拉第電磁感應定律得：$\overline{E}=\frac{△∅}{△t}$
磁通量的變化量：△∅=BL₁L₂，
聯(lián)立各式得：q=$\frac{B{L}_{1}{L}_{2}}{R}$
（2）線圈進入磁場時得感應電動勢：E=BL₂v，
再由歐姆定律得：$I=\frac{E}{R}$
故線圈受到的安培力：${F}_{安}=BI{L}_{2}=\frac{{B}^{2}{L}_{2}^{2}v}{R}$，
根據(jù)牛頓第二定律得：F-F_安-f=ma，
解得：$F=f+ma+\frac{{B}^{2}{L}_{2}^{2}v}{R}$
又因為線圈做勻變速運動，則有：v=at，
結(jié)合功率公式：P=Fv
解得：$P=（f+ma）at+\frac{{B}^{2}{L}_{2}^{2}{a}^{2}}{R}{t}^{2}$
（3）設線圈以恒定速度v出磁場，有運動學公式：v²=2aL₁，
得：$v=\sqrt{2a{L}_{1}}$，
運動時間為：t=$\frac{{L}_{1}}{v}$，
產(chǎn)生的感應電動勢為：E=BL₂v，感應電流為：I=$\frac{E}{R}=\frac{B{L}_{2}v}{R}$
由焦耳定律得：Q_出=I²Rt=$\frac{{B}^{2}{L}_{2}^{2}{L}_{1}}{R}\sqrt{2a{L}_{1}}$，
由能量守恒定理得：$W=\frac{1}{2}m{v}^{2}+f（d+{L}_{1}）+{Q}_{進}+{Q}_{出}$
解得：${Q}_{進}=W-ma{L}_{1}-f（d+{L}_{1}）-\frac{{B}^{2}{L}_{2}^{2}{L}_{1}}{R}\sqrt{2a{L}_{1}}$
答：（1）線圈進入磁場過程中，通過線圈橫截面的電量為$\frac{B{L}_{1}{L}_{2}}{R}$，
（2）牽引力的功率隨時間變化的關(guān)系式為：$P=（f+ma）at+\frac{{B}^{2}{L}_{2}^{2}{a}^{2}}{R}{t}^{2}$，
（3）線圈進入磁場過程中，線圈中產(chǎn)生的焦耳熱${Q}_{進}=W-ma{L}_{1}-f（d+{L}_{1}）-\frac{{B}^{2}{L}_{2}^{2}{L}_{1}}{R}\sqrt{2a{L}_{1}}$．

點評 本題是力學電學相結(jié)合的綜合題，難度較大，注意公式之間的聯(lián)系和應用，分清運動過程合理的運用公式求解即可．