Question

12．如圖所示，一個(gè)半徑為L(zhǎng)的半圓形硬導(dǎo)體ab在豎直U型框架上從靜止釋放，勻強(qiáng)磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，回路電阻為R，半圓形硬導(dǎo)體ab的質(zhì)量為m，電阻為r，重力加速度為g，其余電阻不計(jì)，當(dāng)半圓形硬導(dǎo)體ab的速度為v時(shí)（未達(dá)到最大速度），求：
（1）ab兩端的電壓；
（2）半圓形硬導(dǎo)體ab所能達(dá)到的最大速度．

Answer 1

分析 （1）導(dǎo)體ab切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，相當(dāng)于電源，ab兩端的電壓是外電壓，先由E=2BLv，I=$\frac{E}{R+r}$，求出回路中的感應(yīng)電流，再由歐姆定律求出ab兩端的電壓．
（2）導(dǎo)體ab受到的安培力F方向豎直向上，安培力先小于導(dǎo)體ab的重力，做加速運(yùn)動(dòng)，速度增大，安培力增大，當(dāng)安培力與重力平衡時(shí)做勻速運(yùn)動(dòng)，速度達(dá)到最大，推導(dǎo)出安培力與速度的關(guān)系，由平衡條件求解最大速度

解答 解：（1）當(dāng)半圓形硬導(dǎo)體ab的速度為v時(shí)，導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：E=2BLv，
回路感應(yīng)電流：I=$\frac{E}{R+r}$=$\frac{2BLv}{R+r}$，
ab兩端的電壓：I=IR=$\frac{2BLRv}{R+r}$；
（2）根據(jù)楞次定律可得導(dǎo)體ab受到的安培力F方向豎直向上，當(dāng)F=mg時(shí)，導(dǎo)體ab達(dá)到的最大速度v_m，
導(dǎo)體感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：E=2BLv_m，
回路感應(yīng)電流：I=$\frac{E}{R+r}$=$\frac{2BL{v}_{m}}{R+r}$，
導(dǎo)體ab受到的安培力：F=BI•2L=$\frac{4{B}^{2}{L}^{2}{v}_{m}}{R+r}$，
當(dāng)F=mg時(shí)速度最大，即：mg=$\frac{4{B}^{2}{L}^{2}{v}_{m}}{R+r}$，
解得導(dǎo)體ab達(dá)到的最大速度：v_m=$\frac{mg（R+r）}{4{B}^{2}{L}^{2}}$；
答：（1）ab兩端的電壓為$\frac{2BLRv}{R+r}$；
（2）半圓形硬導(dǎo)體ab所能達(dá)到的最大速度為$\frac{mg（R+r）}{4{B}^{2}{L}^{2}}$．

點(diǎn)評(píng) 本題是ab是曲線，其有效切割的長(zhǎng)度等于2a，與直導(dǎo)線相似，關(guān)鍵推導(dǎo)安培力與速度的關(guān)系式，再根據(jù)電磁感應(yīng)的基本規(guī)律解題．