Question

1．如圖甲，表面絕緣傾角θ=30°的斜面固定在水平地面上，斜面所在空間有一寬度D=0.40m的勻強磁場區(qū)域，其邊界與斜面底邊平行，磁場方向垂直斜面向上．一個質(zhì)量m=0.10kg、總電阻R=0.25Ω的單匝矩形金屬框abcd，放在斜面的底端，其中ab邊與斜面底邊重合，ab邊長L=0.50m．從t=0時刻開始，線框在垂直cd邊沿斜面向上大小恒定的拉力作用下，從靜止開始運動，當(dāng)線框的ab邊離開磁場區(qū)域時撤去拉力，線框繼續(xù)向上運動，線框向上運動過程中速度與時間的關(guān)系如圖乙．已知線框在整個運動過程中始終未脫離斜面，且保持ab邊與斜面底邊平行，線框與斜面之間的動摩擦因數(shù)μ=$\frac{{\sqrt{3}}}{3}$，重力加速度g取10m/s²．求：
（1）線框受到的拉力F的大小；
（2）勻強磁場的磁感應(yīng)強度B的大小；
（3）線框在斜面上運動的過程中產(chǎn)生的焦耳熱Q．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)v-t圖象的斜率求出加速度，由牛頓第二定律求解拉力F的大��；
（2）由v-t圖象可知，線框進入磁場區(qū)域后以速度2m/s做勻速直線運動，推導(dǎo)出安培力表達(dá)式，由法拉第電磁感應(yīng)定律、歐姆定律和安培力，加上平衡條件即可求解磁感應(yīng)強度B的大��；
（3）由v-t圖象可知，線框進入磁場區(qū)域后做勻速直線運動，并以速度v₁勻速穿出磁場，說明線框的寬度等于磁場的寬度 D=0.40m 線框ab邊離開磁場后做勻減速直線運動，速度為零，根據(jù)mgsinθ與最大靜摩擦力的值μmgcosθ進行比較，判斷線框的運動狀態(tài)，再根據(jù)焦耳定律求解Q．

解答 解：（1）由v-t圖象可知，在0～0.4s時間內(nèi)線框做勻加速直線運動，進入磁場時的速度為：v₁=2.0m/s，
所以：a=$\frac{△v}{△t}$=$\frac{2}{0.4}$=5m/s²…①
有牛頓第二定律有：F-mgsinθ-μmgcosθ=ma…②
聯(lián)解①②代入數(shù)據(jù)得：F=1.5N…③
（2）由v-t圖象可知，線框進入磁場區(qū)域后以速度v₁做勻速直線運動，由法拉第電磁感應(yīng)定律和歐姆定律有：E=BLv₁…④
由歐姆定律得：I=$\frac{E}{R}$…⑤
對于線框勻速運動的過程，由力的平衡條件有：
  F-mgsinθ-μmgcosθ-BIL=0…⑥
聯(lián)解④⑤⑥代入數(shù)據(jù)得：B=0.50T…⑦
（3）由v-t圖象可知，線框進入磁場區(qū)域后做勻速直線運動，并以速度v₁勻速穿出磁場，說明線框的寬度等于磁場的寬度，即為：D=0.40m ⑧
線框在減速為零時，有：mgsinθ=μmgcosθ
所以線框不會下滑，設(shè)線框穿過磁場的時間為t，則：
 t=$\frac{2D}{v}$…⑨
Q=I²Rt…⑩
代人數(shù)據(jù)得：Q=0.4J…（11）
答：（1）線框受到的拉力F的大小為1.5N；
（2）勻強磁場的磁感應(yīng)強度B的大小為0.50T；
（3）線框在斜面上運動的過程中產(chǎn)生的焦耳熱Q為0.4J．

點評 本題的關(guān)鍵要根據(jù)速度圖象，正確分析線框的運動過程，并掌握平衡條件、牛頓第二定律等力學(xué)規(guī)律與電磁感應(yīng)規(guī)律．