如图所示,由粗细相同的导线制成的正方形线框边长为L,每条边的电阻均为R,其中ab边材料的密度较大,其质量为m,其余各边的质量均可忽略不计,线框可绕与cd边重合的水平轴OO

◎ 题目

如图所示,由粗细相同的导线制成的正方形线框边长为L,每条边的电阻均为R,其中ab边材料的密度较大,其质量为m,其余各边的质量均可忽略不计,线框可绕与cd边重合的水平轴OO′自由转动,不计空气阻力和摩擦,若线框从水平位置由静止释放,经历时间t到达竖直位置,此时ab边的速度大小为v,若线框始终处于方向竖直向下、磁感应强度为B的匀强磁场中,重力加速度为g.求:
(1)线框至竖直位置时,ab边两端的电压及所受安培力的大小.
(2)在这一过程中,线框中感应电流做的功及感应电动势的有效值.
(3)在这一过程中,通过线框导线横截面的电荷量.
魔方格

◎ 答案

(1)线框运动到竖直位置时,ab边切割磁感线产生感应电动势为:
E=BLv
线框中的电流为:I=
E
4R

ab两端的电压为Uab=I?3R=
3
4
BLv

ab边所受安培力为F=BIL=
B2L2v
4R

(2)线框下落过程中机械能的减少等于线框中产生的焦耳热,所以有:
mgL-
1
2
mv2=Q

所以感应电流做功为mgL-
1
2
mv2

又因Q=(
E
4R
)2?4R?t

解得:E=2

(mgL-
1
2
mv2)R
t

(3)对于线框的下摆过程,垂直磁场线框的面积变化为:
△s=L2
线框中的平均感应电动势为:
.
E
=
△Φ
△t

线框中的平均电流为:
.
I
=
.
E
4R
=
B△S
4R△t

通过导线横截面的电荷量为:
q=
.
I
△t=
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BL2
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