Question

如圖（1）所示，一邊長為L，質量為m，電阻為R的金屬絲方框豎直放置在磁場中，磁場方向垂直方框平面，磁感應強度的大小隨y的變化規律為B=B+ky，k為恒定常數，同一水平面上磁感應強度相同．現將方框以初速度v從O點水平拋出，重力加速度為g，不計阻力．

（1）通過計算確定方框最終運動的狀態；
（2）若方框下落過程中產生的電動勢E與下落高度y的關系如圖（2）所示，求方框下落H高度時產生的內能．

Answer 1

【答案】分析：（1）對導線框進行受力分析，根據導線框的受力情況判斷導線框在水平方向的運動情況；
由E=BLv求出導體棒切割磁感線產生的感應電動勢，由牛頓第二定律求出導線框的加速度，
根據加速度的表達式判斷導線框最終的運動性質，求出最終的速度，然后由平行四邊形定則求出導線框的速度．
（2）由能量守恒定律求出導線框產生的焦耳熱．
解答：解：（1）線框中各條邊的電流相等，根據對稱性可知線框在水平方向所受合力為0，
導線框在水平方向做勻速運動；
設線框運動ts，下落h高度，豎直方向速度為v_y，
切割產生的電動勢E=B_下Lv_y-B_上Lv_y ①，
磁感應強度：B=B+ky    ②，
導線框中的電流I=    ③，
由牛頓第二定律得：mg-（B_下LI-B_上LI）=ma  ④，
由①②③④解得，a=g-，
隨導線框在豎直方向受到的增加，加速度a減小，
當a=0時，導線框將做勻速直線運動，速度v_ym=；
因此導線框在豎直方向先做變加速運動，最終做勻速直線運動，
勻速運動的速度v_ym=；
最終方框勻速運動，速度大小為v==，
設速度方向與x洲間的夾角是θ，tanθ=，方向與x軸成arctan；
（2）由圖象可得線框下落H高度時做勻速運動，
由能量守恒定律得：Q=mgH+mv²-mv²
Q=mgH-；
答：（1）方框最終做運動直線運動．
（2）方框下落H高度時產生的內能是mgH-．
點評：磁場不是勻強，磁場是變化的，導線框產生的感應電流是變化的，導線框受到的安培力是變力，導線框受力情況比較復雜，本題難度較大，是一道難題；分析清楚導線框的運動過程，對導線框正確受力分析，是正確解題的關鍵．