Question

如圖所示，在光滑的水平面上有兩個(gè)方向相反的勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直穿過(guò)，磁場(chǎng)的寬度均為L(zhǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度大小均為B，水平面上放有一正方形金屬線框，其邊長(zhǎng)為a（a＜L），電阻為R．

（1）若線框以速度v從磁場(chǎng)區(qū)左側(cè)勻速向右穿過(guò)該磁場(chǎng)區(qū)域到達(dá)磁場(chǎng)區(qū)右側(cè)的過(guò)程中，求外力所做的功．
（2）若線框從磁場(chǎng)區(qū)左側(cè)以水平向右的某個(gè)初速度進(jìn)入磁場(chǎng)，剛好能從磁場(chǎng)區(qū)右側(cè)全部出來(lái)，求線框在進(jìn)入磁場(chǎng)和離開(kāi)磁場(chǎng)的過(guò)程中產(chǎn)生的熱量之比．

Answer 1

分析：（1）分三段：線圈進(jìn)入磁場(chǎng)的過(guò)程、線圈從左側(cè)磁場(chǎng)進(jìn)入右側(cè)磁場(chǎng)、線圈離開(kāi)磁場(chǎng)的過(guò)程，分別求出安培力，根據(jù)功的公式求解．
（2）根據(jù)動(dòng)量定理，分別研究以上三個(gè)過(guò)程，得到三段過(guò)程運(yùn)動(dòng)速度與電量的關(guān)系，根據(jù)法拉第定律、歐姆定律得到電量的關(guān)系，求出三個(gè)過(guò)程的速度關(guān)系，再根據(jù)能量守恒求解熱量．

解答：解：（1）線圈進(jìn)入磁場(chǎng)的過(guò)程中，安培力做功
  W₁=F₁a=（I₁aB）a=(

Bav

R

aB)a=

B2a3v

R

線圈從左側(cè)磁場(chǎng)進(jìn)入右側(cè)磁場(chǎng)的過(guò)程中，
安培力做功W₂=F₂a=（2I₂aB）a=（2

2Bav

R

aB）a=

4B2a3v

R

線圈離開(kāi)磁場(chǎng)的過(guò)程中，安培力做功
  W₃=F₃a=（I₃aB）a=（

Bav

R

aB）a=

B2a3v

R

整個(gè)過(guò)程中外力做功等于安培力做的總功
 W=W₁+W₂+W₃=

6B2a3v

R

（2）設(shè)線圈進(jìn)入磁場(chǎng)前的初速度為v₀，在左側(cè)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的速度為v₁，線圈在右側(cè)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的速度為v₂，線圈的質(zhì)量為m
線圈在進(jìn)入磁場(chǎng)過(guò)程中，根據(jù)動(dòng)量定理得：
-

.

F1

t₁=-（

.

I1

aB）t₁=mv₁-mv₀
又感應(yīng)電荷量q₁=

.

I1

t₁．
即-q₁aB=mv₁-mv₀ ①
線圈從左側(cè)磁場(chǎng)進(jìn)入右側(cè)磁場(chǎng)的過(guò)程中，同理可得：
-2F₂t₂=-2（

.

I2

aB）t₂=mv₂-mv₁
即-2q₂aB=mv₂-mv₁ ②
線圈離開(kāi)磁場(chǎng)的過(guò)程中，同理可得：
-

.

F3

t₃=-（

.

I3

aB）t₃=-mv₂
即-q₃aB=0-mv₂ ③
又感應(yīng)電荷量q₁=

△Φ1

R

，q₂=

△Φ2

R

，q₃=

△Φ3

R

其中△Φ₁=△Φ₂=Ba²，△Φ₃=2Ba²，
所以q₂=2q₁，q₃=q₁
由①②③式解得v1=

5

6

v0，v2=

1

6

v0
所以

Q1

Q2

=

1 2 m v 2 0 - 1 2 m v 2 1

1 2 m v 2 2 -0

=

v 2 0 - v 2 1

v 2 2

=

11

1

答：
（1）外力所做的功為

6B2a3v

R

．
（2）線框在進(jìn)入磁場(chǎng)和離開(kāi)磁場(chǎng)的過(guò)程中產(chǎn)生的熱量之比為11：1．

點(diǎn)評(píng)：本題首先能分段研究安培力的大小，難點(diǎn)是運(yùn)用動(dòng)量定理列式，結(jié)合電量關(guān)系，求三段過(guò)程速度關(guān)系．