Question

如圖所示，空間存在著一個范圍足夠大的豎直向下的勻強(qiáng)磁場區(qū)域，磁場的磁感強(qiáng)度大小為B=0.6T．邊長為L=0.5m的正方形金屬框abcd（以下簡稱方框）被固定在光滑的絕緣水平面上，其外側(cè)套著一個質(zhì)量為m=0.4kg、與方框邊長相同的U型金屬框架MNPQ（以下簡稱U型框），U型框與方框之間接觸良好且無摩擦．NP、bc、ad三邊的電阻均為r=0.2Ω，其余部分電阻不計．U型框從圖示位置開始以初速度v₀=1.2m/s向右以a=-1.5m/s²作勻變速運(yùn)動．問：．
（1）開始時流過U型框的電流大小和方向如何？
（2）開始時方框上ad邊的熱功率多大？
（3）當(dāng)U型框NP邊與方框bc邊間的距離為0.29m時作用在U型框上的外力大小和方向如何？

Answer 1

（1）開始時線框產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為E=BLv₀=0.6×0.5×1.2V=0.36V         
回路總電阻R_總=r+

r

2

=0.3Ω                           
回路總電流I總=

E

R總

=

0.36

0.3

A=1.2A                       
由右手定則判斷得知：流過U型框的電流方向Q→P→N→M．           
（2）流過ad的電流大小 I_ad=

1

2

I_總=0.6A          
所以ad邊的熱功率為P_ad=

I

2ad

r=0.6²×0.2W=0.072W      
（3）設(shè)U型框運(yùn)動到位移x時速度為v_t，則根據(jù)運(yùn)動學(xué)公式有
   v=

v 20 -2ax

此時感應(yīng)電動勢 E=BLv=BL

v 20 -2ax

感應(yīng)電流 I=

E

R總

=

BL v 20 -2ax

R總

經(jīng)過此位置時的安培力大�。篎_A=BIL=

B2L2 v 20 -2ax

R總

由于U型框作勻變速運(yùn)動，當(dāng)它向右經(jīng)過此位置時，有
   F+F_A=ma
得 F=ma-F_A=ma-

B2L2 v 20 -2ax

R總

代入解得，F(xiàn)=0.33N，方向向左；
當(dāng)它向右經(jīng)過此位置時，有
  F-F_A=ma
則得F=ma+F_A=ma+

B2L2 v 20 -2ax

R總

代入解得F=0.87N，方向向左．
答：
（1）開始時流過U型框的電流大小是1.2A，方向為Q→P→N→M．
（2）開始時方框上ad邊的熱功率是0.072W．
（3）當(dāng)U型框NP邊與方框bc邊間的距離為0.29m時：當(dāng)它向右經(jīng)過此位置時，外力大小為0.33N，方向向左；當(dāng)它向左經(jīng)過此位置時，外力大小為0.87N，方向向左．