Question

【題目】渦流制動(dòng)是一種利用電磁感應(yīng)原理工作的新型制動(dòng)方式，它的基本原理如圖甲所示，水平面上固定一塊鋁板，當(dāng)一豎直方向的條形磁鐵在鋁板上方幾毫米高度上水平經(jīng)過時(shí)，鋁板內(nèi)感應(yīng)出的渦流會(huì)對(duì)磁鐵的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙作用，渦流制動(dòng)是磁懸浮列車在高速運(yùn)行時(shí)進(jìn)行制動(dòng)的一種方式。某研究所制成如圖乙所示的車和軌道模型來定量模擬磁懸浮列車的渦流制動(dòng)過程，車廂下端安裝有電磁鐵系統(tǒng)，能在長(zhǎng)為=0．6m，寬=0．2m的矩形區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生豎直方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度可隨車速的減小而自動(dòng)增大（由車內(nèi)速度傳感器控制），但最大不超過=2T，將鋁板簡(jiǎn)化為長(zhǎng)大于，寬也為的單匝矩形線圈，間隔鋪設(shè)在軌道正中央，其間隔也為，每個(gè)線圈的電阻為=0．1Ω，導(dǎo)線粗細(xì)忽略不計(jì)，在某次實(shí)驗(yàn)中，模型車速度為v=20m/s時(shí)，啟動(dòng)電磁鐵系統(tǒng)開始制動(dòng)，車立即以加速度=2做勻減速直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度增加到時(shí)就保持不變，知道模型車停止運(yùn)動(dòng)，已知模型車的總質(zhì)量為=36kg，空氣阻力不計(jì)，不考慮磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化引起的電磁感應(yīng)現(xiàn)象以及線圈激發(fā)的磁場(chǎng)對(duì)電磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)的影響

（1）電磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到最大時(shí)，模型車的速度為多大？

（2）模型車的制動(dòng)距離為多大？

（3）為了節(jié)約能源，將電磁鐵換成若干個(gè)并在一起的永磁鐵組，兩個(gè)相鄰的磁鐵磁極的極性相反，且將線圈改為連續(xù)鋪放，如圖丙所示，已知模型車質(zhì)量減為=20kg，永磁鐵激發(fā)的磁感應(yīng)強(qiáng)度恒為=0．1T，每個(gè)線圈匝數(shù)為N=10，電阻為=1Ω，相鄰線圈緊密接觸但彼此絕緣，模型車仍以v=20m/s的初速度開始減速，為保證制動(dòng)距離不大于80cm，至少安裝幾個(gè)永磁鐵？

Answer 1

【答案】（1）（2）（3）4個(gè)

【解析】

試題分析：（1）假設(shè)電磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到最大時(shí)，模型車的速度為則①

②，③，④

由①②③④式并代入數(shù)據(jù)得⑤

（2）勻變速過程位移為：

由第（1）問的方法同理得到磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)到最大以后任意速度v時(shí)，安培力的大小為

對(duì)速度后模型車的減速過程用動(dòng)量定理可得，

聯(lián)立，，得：

（3）假設(shè)需要n個(gè)永磁鐵，當(dāng)模型車的速度為v時(shí)，每個(gè)線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

每個(gè)線圈中的感應(yīng)電流為

每個(gè)磁鐵受到的阻力為

N個(gè)磁鐵受到的阻力為

由第（2）問可得

得：

即至少需要4個(gè)永磁鐵