如图甲所示,空间存在着一个范围足够大的竖直向下的匀强磁场,磁场的磁感强度大小为B.边长为l的正方形金属框abcd(下简称方框)放在光滑的水平地面上,其外侧套着一个与方框边

◎ 题目

如图甲所示,空间存在着一个范围足够大的竖直向下的匀强磁场,磁场的磁感强度大小为B.边长为l的正方形金属框abcd(下简称方框)放在光滑的水平地面上,其外侧套着一个与方框边长相同的U形金属框架MNPQ(下简称U形框),U形框与方框之间接触良好且无摩擦.两个金属框每条边的质量均为m,每条边的电阻均为r.
(1)将方框固定不动,用力拉动U形框使它以速度v0垂直NP边向右匀速运动,当U形框的MQ端滑至方框的最右侧(如图乙所示)时,方框上的bc两端的电势差为多大?此时方框的热功率为多大?
(2)若方框不固定,给U形框垂直NP边向右的初速度v0,如果U形框恰好不能与方框分离,则在这一过程中两框架上产生的总热量为多少?
(3)若方框不固定,给U形框垂直NP边向右的初速度v(v>v0),U形框最终将与方框分离.如果从U形框和方框不再接触开始,经过时间t方框最右侧和U形框最左侧距离为s.求两金属框分离后的速度各多大.
魔方格

◎ 答案

(1)U形框右边产生感应电动势:E=BLv0
方框总电阻:R=
3r?r
3r+r
=
3
4
r
  ②
总电流:I=
E
R+3r
 ③
bc两端电势差:U=IR ④
由以上各式解得:U=
1
5
BLv0
 ⑤
方框热功率:P=
U2
R
=
4B2L2
v20
75r
 ⑥
(2)U形框恰好不能与方框分离,两者速度相等,设共同速度为v,由动量守恒定律,有:3mv0=(3m+4m)v ⑦
据能量转化与守恒,可知:Q=
1
2
?3m
v20
-
1
2
?(3m+4m)v2
  ⑧
解得:Q=
6
7
m
v20
 ⑨
(3)设分离时,U形框速度为v1,方框速度为v2,由动量守恒可知:3mv0=3mv1+4mv2
 从U形框和方框不再接触后,都做匀速运动,则有  s=v1t-v2t (11)
解得:v1=
3v
7
+
4s
7t
  (12)
  v2=
3v
7
-
3s
7t
  (13)
答:
(1)方框上的bc两端的电势差为
1
5
BLv0
,此时方框的热功率为
4
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