Question

【題目】隨著越來越高的摩天大樓在各地的落成，至今普遍使用的鋼索懸掛式電梯已經(jīng)漸漸地不適用了．這是因?yàn)殇撍鞯拈L度隨著樓層的增高而相應(yīng)增加，這樣這些鋼索會由于承受不了自身的重量，還沒有掛電梯就會被扯斷．為此，科學(xué)技術(shù)人員正在研究用磁動力來解決這個問題．如圖所示就是一種磁動力電梯的模擬機(jī)，即在豎直平面上有兩根很長的平行豎直軌道，軌道間有垂直軌道平面的勻強(qiáng)磁場B1和B2 ， 且B1和B2的方向相反，大小相等，即B1=B2=1T，兩磁場始終豎直向上作勻速運(yùn)動．電梯橋廂固定在如圖所示的一個閣超導(dǎo)材料制成的金屬框abcd內(nèi)（電梯橋廂在圖中未畫出），并且與之絕緣．電梯載人時的總質(zhì)量為5×103kg，所受阻力f=500N，金屬框垂直軌道的邊長Lcd=2m，兩磁場的寬度均與金屬框的邊長Lac相同，金屬框整個回路的電阻R=9.5×10﹣4Ω，假如設(shè)計要求電梯以v1=10m/s的速度向上勻速運(yùn)動，那么，（取g=10m/s2）

（1）磁場向上運(yùn)動速度v0應(yīng)該為多大？（結(jié)果保留兩位有效數(shù)字）
（2）在電梯向上作勻速運(yùn)動時，為維持它的運(yùn)動，外界必須提供能量，那么此時系統(tǒng)的效率為多少？（結(jié)果保留三位有效數(shù)字）

Answer 1

【答案】
（1）解：當(dāng)電梯勻速向上移動時，金屬框中感應(yīng)電流大小為：

I= ①

金屬框所受安培力F=2B1ILcd②

由平衡條件得：

F=mg+f③

解①②③得v0=13m/s

答：磁場向上運(yùn)動速度v0=13m/s

（2）解：運(yùn)動時能量由磁場提供，能量轉(zhuǎn)化為三部分，一是線框的重力勢能，二是線框產(chǎn)生電熱，三是阻力的負(fù)功．由①式代入數(shù)據(jù)得，

I=1.26×104A

金屬框中焦耳熱功率為：P1=I2R=1.51×105W

有用功率為P2=mgv1=5×105W

阻力功率為P3=fv1=5×103W

系統(tǒng)效率η= ×100%=76.9%

答：此時系統(tǒng)的效率為76.9%

【解析】（1）磁場向上運(yùn)動，根據(jù)右手定則可判斷通過abcd的電流方向，進(jìn)而判斷安培力的方向，是向上的，當(dāng)安培力大小等于重力和阻力之和時，金屬框會勻速運(yùn)動
（2）由能量守恒定律知，外界提供的能量轉(zhuǎn)化為三部分，一是線框的重力勢能，二是線框產(chǎn)生電熱，三是阻力的負(fù)功，而只有重力勢能是有用的，由此可求系統(tǒng)的效率
與新科技背景相聯(lián)系的題目是考試的熱點(diǎn)，注意發(fā)掘與哪部分知識相聯(lián)系，明確運(yùn)動過程和適用的規(guī)律，本題中兩條邊均產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，且電動勢要加和，兩邊均受安培力，安培力也要加和.