Question

【题目】如图所示，光滑斜面的倾角α=30°，在斜面上放置一矩形线框abcd，ab边的边长l1=lm，bc边的边长l2=0.6m，线框的质量m=1kg，电阻R=0.1Ω，线框受到沿光滑斜面向上的恒力F的作用，已知F=10N．斜面上ef线（ef∥gh）的右方有垂直斜面向上的均匀磁场，磁感应强度B随时间t的变化情况如B﹣t图象，时间t是从线框由静止开始运动时刻起计的．如果线框从静止开始运动，进入磁场最初一段时间是匀速的，ef线和gh的距离s=5.1m，求：

（1）线框进入磁场时匀速运动的速度v；
（2）ab边由静止开始到运动到gh线处所用的时间t；
（3）线框由静止开始到运动到gh线的整个过程中产生的焦耳热．

Answer 1

【答案】
（1）

解：因为线框进入磁场的最初一段时间做匀速运动，

所以线框abcd受力平衡F=mgsinα+FA

ab边进入磁场切割磁感线，产生的电动势E=Bl1v

形成的感应电流

受到的安培力FA=BIl1

F=mgsinα+

代入数据解得v=2m/s，

故线框进入磁场时匀速运动的速度v=2m/s

（2）

解：线框abcd进入磁场前时，做匀加速直线运动；

进磁场的过程中，做匀速直线运动；

进入磁场后到运动到gh线，仍做匀加速直线运动．

线框进入磁场前，线框仅受到细线的拉力F、斜面的支持力和线框重力，

由牛顿第二定律得：F﹣mgsinα=ma

线框进入磁场前的加速度： =5m/s2

进磁场前线框的运动时间为：

进磁场过程中匀速运动时间：

线框完全进入磁场后线框受力情况同进入磁场前，

所以该阶段的加速度仍为：a=5m/s2

解得：t3=1s

故ab边由静止开始运动到gh线所用的时间为：t=t1+t2+t3=1.7s

（3）

解：

由（2）问可知，ab边由静止开始运动到gh线所用的时间为1.7s，因此有因磁场变化产生热量的时间为：

t4=1.7s﹣0.9s=0.8s

整个运动过程产生的焦耳热Q=FAl2+Q1=（F﹣mgsinθ）l2+Q1=3.5J

故整个过程产生的焦耳热为3.5J

【解析】（1）对线框进入磁场时进行受力分析，尤其注意安培力的大小与方向，然后根据平衡条件列方程求解．（2）弄清线框的运动情况，然后根据相应规律求解．线框开始做初速度为零的匀加速直线运动，然后匀速运动进入磁场，当完全进入时若磁场不变则感应电流为零不受安培力，若磁场变化，整个线框所受安培力为零，因此线框将做匀加速直线运动，加速度与开始时相同．（3）产生的焦耳热可以分为两部分求解，开始进入磁场时，克服安培力做功产生焦耳热，该过程根据功能关系可求解，二是线框完全进入，当磁场随时间均匀变化时，线框中形成稳定的电流，此时产生的焦耳热可以根据公式：Q=I2Rt求解．