Question

如圖甲所示，在虛線(xiàn)框兩側(cè)區(qū)域存在有大小為B、方向分別為水平向左和水平向右的勻強(qiáng)磁場(chǎng)．用薄金屬條制成的閉合正方形框aa′b′b邊長(zhǎng)為L(zhǎng)，質(zhì)量為m，電阻為R．現(xiàn)將金屬方框水平地放在磁場(chǎng)中，aa′邊、bb′邊分別位于左、右兩邊的磁場(chǎng)中，方向均與磁場(chǎng)方向垂直，乙圖是從上向下看的俯視圖．金屬方框由靜止開(kāi)始下落，其平面在下落過(guò)程中保持水平（不計(jì)空氣阻力）．
（1）請(qǐng)根據(jù)乙圖指出下落時(shí)方框中感應(yīng)電流的方向；
（2）求方框下落的最大速度v_m（設(shè)磁場(chǎng)區(qū)域在豎直方向足夠長(zhǎng)）；
（3）當(dāng)方框下落的加速度為 

g

2

 時(shí)，求方框內(nèi)感應(yīng)電流的功率P；
（4）從靜止開(kāi)始經(jīng)過(guò)時(shí)間t，方框下落高度為h，速度為v_t（v_t＜v_m）．若在這段時(shí)間內(nèi)感應(yīng)電流做的功與一恒定電流I₀在t時(shí)間內(nèi)在該框內(nèi)做的功相同，求恒定電流I₀的表達(dá)式．

Answer 1

（1）金屬框豎直向下運(yùn)動(dòng)，垂直切割磁感線(xiàn)，根據(jù)右手定則判斷得知：感應(yīng)電流的方向沿順時(shí)針?lè)较颍?br>（2）最大速度時(shí)，線(xiàn)框做勻速運(yùn)動(dòng)，線(xiàn)框受到的安培力與重力平衡，此時(shí)線(xiàn)框所受的安培力大小為
   F_安=2 BIL=

4B2L2vm

R

由平衡條件得 F_安=mg
聯(lián)立解得 v_m=

mgR

4B2L2

 
（3）當(dāng)方框下落的加速度為a=

g

2

時(shí)，
根據(jù)牛頓第二定律得：ma=mg-F_安=mg-2BIL   
得I=

mg

4BL

 
則方框內(nèi)感應(yīng)電流的功率P=I²R=

m2g2R

16B2L2

（4））從靜到方框下落高度為h的過(guò)程中，根據(jù)能量守恒得
  mgh=

1

2

mv_t²+I₀²Rt  
 解得I₀=

mg(H+h)- 1 2 m v 2t Rt

答：
（1）下落時(shí)方框中感應(yīng)電流的方向是順時(shí)針?lè)较颍?br>（2）方框下落的最大速度v_m為

mgR

4B2L2

．
（3）當(dāng)方框下落的加速度為

g

2

時(shí)，方框內(nèi)感應(yīng)電流的功率P為

m2g2R

16B2L2

；
（4）恒定電流I₀的表達(dá)式為I₀=

mg(H+h)- 1 2 m v 2t Rt

．