Question

13．在導(dǎo)體棒圍成的矩形線框的兩條長(zhǎng)邊中央焊接導(dǎo)體棒，將矩形分成兩個(gè)正方形，組成一個(gè)“日”字形線框．每個(gè)正方形的邊長(zhǎng)都為L(zhǎng)=0.5m，“日”字形相框質(zhì)量m=0.5kg，每根導(dǎo)體棒質(zhì)量分布均勻．現(xiàn)將該線框靜止放在傾角α=37°的粗糙絕緣斜面上，線框與斜面間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.25，線框的ef邊與斜面底邊重合，如圖所示．a(chǎn)b、cd、ef三段的阻值相等且均為R=0.4Ω，其余部分電阻不計(jì)．斜面所在空間存在一有界矩形勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域GIJH，其寬度GI=HJ=L，長(zhǎng)度IJ＞L，IJ∥ef，磁場(chǎng)垂直斜面向上，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=1T．現(xiàn)用一大小F=5N、方向沿斜面向上且垂直于ab的恒力作用在ab中點(diǎn)，使線框沿斜面向上運(yùn)動(dòng)，ab進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)線框恰好做勻速運(yùn)動(dòng)．若不計(jì)導(dǎo)線粗細(xì)，重力加速度g=10m/s²，sin37°=0.6，cos37°=0.8．求：
（1）ab進(jìn)入磁場(chǎng)前線框運(yùn)動(dòng)的加速度a的大��；
（2）cd在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，外力克服安培力做功的功率P；
（3）線框從開始運(yùn)動(dòng)到ef恰好穿出磁場(chǎng)的過(guò)程中，線框中產(chǎn)生的焦耳熱與外力F做功的比值$\frac{Q}{W}$．

Answer 1

分析 （1）ab進(jìn)入磁場(chǎng)前線框做勻加速運(yùn)動(dòng)，依據(jù)牛頓第二定律，即可求解；
（2）根據(jù)線框做勻速直線運(yùn)動(dòng)，結(jié)合平衡條件，及安培力表達(dá)式，閉合電路歐姆定律與切割感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)公式，及功率表達(dá)式，即可求解；
（3）根據(jù)力做功表達(dá)式，及安培力做功，即為線框中產(chǎn)生的焦耳熱，從而即可求解它們的之比．

解答 解：（1）ab進(jìn)入磁場(chǎng)前線框做勻加速運(yùn)動(dòng)，由牛頓第二定律有：
F-mgsinα-μmgcosα=ma
代入數(shù)據(jù)得：a=2m/s²．
（2）線框穿過(guò)磁場(chǎng)的過(guò)程總是一邊切割磁感線，電路組成也沒(méi)變，所以一直做速度為v的勻速運(yùn)動(dòng)．由平衡條件有：
F=mgsinα+μmgcosα+F_A　
代入數(shù)據(jù)得安培力：F_A=1N　
又：F_A=BIL　　
I=$\frac{E}{{R}_{總}(cāng)}$　　
E=BLv　　
R_總=R+$\frac{R}{2}$
聯(lián)立以上等式，代入已知數(shù)據(jù)得：v=2.4m/s　
所以：P=F_Av=2.4W　
（3）設(shè)ab進(jìn)入磁場(chǎng)前線框發(fā)生的位移為x，則有：x=$\frac{{v}^{2}}{2a}$=1.44m
則Q=F_安•3L=1.5J
W=F（x+3L）=14.7J
$\frac{Q}{W}$=$\frac{5}{49}$
答：（1）ab進(jìn)入磁場(chǎng)前線框運(yùn)動(dòng)的加速度a的大小2m/s²；
（2）cd在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，外力克服安培力做功的功率2.4W；
（3）線框從開始運(yùn)動(dòng)到ef恰好穿出磁場(chǎng)的過(guò)程中，線框中產(chǎn)生的焦耳熱與外力F做功的比值5：49．

點(diǎn)評(píng) 考查牛頓第二定律的應(yīng)用，掌握平衡條件、閉合電路歐姆定律與法拉第電磁感應(yīng)定律的內(nèi)容，及安培力與電功率的表達(dá)式，注意克服安培力做功，使線框中產(chǎn)生的焦耳熱．