Question

如圖甲所示，在虛線框兩側(cè)區(qū)域存在有大小為B、方向分別為水平向左和水平向右的勻強(qiáng)磁場(chǎng)．用薄金屬條制成的閉合正方形框aa′b′b邊長(zhǎng)為L(zhǎng)，質(zhì)量為m，電阻為R．現(xiàn)將金屬方框水平地放在磁場(chǎng)中，aa′邊、bb′邊分別位于左、右兩邊的磁場(chǎng)中，方向均與磁場(chǎng)方向垂直，乙圖是從上向下看的俯視圖．金屬方框由靜止開始下落，其平面在下落過程中保持水平（不計(jì)空氣阻力）．
（1）請(qǐng)根據(jù)乙圖指出下落時(shí)方框中感應(yīng)電流的方向；
（2）求方框下落的最大速度v_m（設(shè)磁場(chǎng)區(qū)域在豎直方向足夠長(zhǎng)）；
（3）當(dāng)方框下落的加速度為 時(shí)，求方框內(nèi)感應(yīng)電流的功率P；
（4）從靜止開始經(jīng)過時(shí)間t，方框下落高度為h，速度為v_t（v_t＜v_m）．若在這段時(shí)間內(nèi)感應(yīng)電流做的功與一恒定電流I₀在t時(shí)間內(nèi)在該框內(nèi)做的功相同，求恒定電流I₀的表達(dá)式．

Answer 1

解：（1）金屬框豎直向下運(yùn)動(dòng)，垂直切割磁感線，根據(jù)右手定則判斷得知：感應(yīng)電流的方向沿順時(shí)針方向．
（2）最大速度時(shí)，線框做勻速運(yùn)動(dòng)，線框受到的安培力與重力平衡，此時(shí)線框所受的安培力大小為
F_安=2 BIL=
由平衡條件得 F_安=mg
聯(lián)立解得 v_m=
（3）當(dāng)方框下落的加速度為a=時(shí)，
根據(jù)牛頓第二定律得：ma=mg-F_安=mg-2BIL
得I=
則方框內(nèi)感應(yīng)電流的功率P=I²R=
（4））從靜到方框下落高度為h的過程中，根據(jù)能量守恒得
mgh=mv_t²+I₀²Rt
解得I₀=
答：
（1）下落時(shí)方框中感應(yīng)電流的方向是順時(shí)針方向；
（2）方框下落的最大速度v_m為．
（3）當(dāng)方框下落的加速度為 時(shí)，方框內(nèi)感應(yīng)電流的功率P為；
（4）恒定電流I₀的表達(dá)式為I₀=．
分析：（1）金屬框豎直向下運(yùn)動(dòng)，垂直切割磁感線，將產(chǎn)生感應(yīng)電流，根據(jù)右手定則判斷感應(yīng)電流的方向；
（2）線框先做加速度減小的變加速運(yùn)動(dòng)，后做勻速運(yùn)動(dòng)，速度達(dá)到最大，由E=B?2Lv，I=、F=BIL求得安培力F，根據(jù)平衡條件就能求出最大速度；
（3）當(dāng)方框下落的加速度為 時(shí)，根據(jù)牛頓第二定律和安培力公式結(jié)合求得線框中的感應(yīng)電流大小，由P=I²R求解感應(yīng)電流的功率；
（4）從靜止開始經(jīng)過時(shí)間t，方框下落高度為h的過程中，線框的重力勢(shì)能減小轉(zhuǎn)化為線框的動(dòng)能和電能，根據(jù)能量守恒列式求解即可．
點(diǎn)評(píng)：解答這類問題的關(guān)鍵是通過受力分析，正確分析安培力的變化情況，找出最大速度的運(yùn)動(dòng)特征；同時(shí)要能結(jié)合功能關(guān)系列式求解．