Question

如圖所示，一個矩形線圈的ab、cd邊長為L₁，ad、bc邊長為L₂，線圈的匝數(shù)為N，線圈處于磁感應強度為B的勻強磁場中，并以OO′為中心做勻速圓周運動，（OO′與磁場方向垂直，線圈電阻不計），線圈轉動的角速度為ω，若線圈從中性面開始計時，請回答下列問題：
（1）請用法拉第電磁感應定律證明該線圈產(chǎn)生的是正弦交流電．
（2）用該線圈產(chǎn)生的交流電通入電阻為R的電動機時，形成的電流有效值為I，請計算該電動機的輸出的機械功率（其它損耗不計）．
（3）用此電動機將豎直固定的光滑U型金屬框架上的水平導體棒EF從靜止向上拉，已知導體棒的質(zhì)量為m，U型金屬框架寬為L且足夠長，內(nèi)有垂直向里的勻強磁場，磁感應強度為B，導體棒上升高度為h時，經(jīng)歷的時間為t，且此時導體棒剛開始勻速上升，棒有效電阻為R，金屬框架的總電阻不計，棒與金屬框架接觸良好，請計算：
①導體棒勻速上升時的速度和已知量的關系．
②若t時刻導體棒的速度為v，求t時間內(nèi)導體棒與金屬框架產(chǎn)生的焦耳熱．

Answer 1

【答案】分析：（1）矩形線圈的ab、cd切割磁感線，根據(jù)感應電動勢公式e=BLvsinα推導感應電動勢瞬時值表達式．
（2）根據(jù)能量守恒定律得到：電動機的輸出的機械功率P_機=P_入-P_Q=UI-I²R，U是電壓有效值．
（3）①電機帶導體棒勻速上升時，電動機的牽引力與導體棒的重力和安培力的合力平衡，推導導體棒勻速上升時的速度和已知量的關系式．
②對導體棒，電動機牽引力做正功，安培力和重力做負功，根據(jù)動能定理列方程，求出導體棒克服安培力做的功，即導體棒與金屬框架產(chǎn)生的焦耳熱．
解答：解：
（1）證明：
如圖所示，邊長L₁切割磁感線產(chǎn)生電動勢
   e₁=BL₁V_⊥=BL₁Vsinωt   
   而線速度V=
則e₁=BL₁sinωt  
因有線圈兩個邊切割，且有N匝
所以e=2Ne₁=NBL₁L₂ωsinωt      
即：e=E_msinωt，其中E_m=NBL₁L₂ω．
（2）電流通過電動機時，輸入的功率
P_入=UI=I            
由能量守恒知：
  P_入=P_Q+P_機
∴機械功率P_機=I-I²R           
（3）①電機帶導體棒勻速上升．受力如圖
由平衡條件得  F=BIL+mg  
  又I=，F(xiàn)=  
得到=mg+
即：I-I²R=mgv+v 
②對上升h應用動能定理：
Pt-W-mgh=mv²-0        
得  Q=W=Pt-mgh-mv² 
Q=（I-I²R）t-mgh-mv²
答：
（1）證明見上．
（2）電動機的輸出的機械功率為I-I²R．
（3）①導體棒勻速上升時的速度和已知量的關系是I-I²R=mgv+v．
     ②t時間內(nèi)導體棒與金屬框架產(chǎn)生的焦耳熱是（I-I²R）t-mgh-mv²．
點評：本題問題較多，所用物理知識并不復雜，主要是電磁感應、電路、磁場和力學知識，只要基本功扎實，并不困難．