Question

如圖所示，上海磁懸浮列車專線西起上海地鐵2號線的龍陽路站，東至上海浦東國際機(jī)場，專線全長29．863公里。由中德兩國合作開發(fā)的世界第一條磁懸浮商運(yùn)線。
磁懸浮列車的原理如圖所示，在水平面上，兩根平行直導(dǎo)軌間有豎直方向且等間距的勻強(qiáng)磁場B₁、B₂，導(dǎo)軌上有金屬框abcd，金屬框的面積與每個獨立磁場的面積相等。當(dāng)勻強(qiáng)磁場B₁、B₂同時以速度v沿直線導(dǎo)軌向右運(yùn)動時，金屬框也會沿直線導(dǎo)軌運(yùn)動。設(shè)直導(dǎo)軌間距為L＝0.4m，B₁＝B₂＝1T，磁場運(yùn)動速度為v＝5m/s，金屬框的電阻為R＝2Ω。試求：
（1）若金屬框不受阻力時，金屬框如何運(yùn)動；
（2）當(dāng)金屬框始終受到f＝1N的阻力時，金屬框相對于地面的速度是多少；
（3）當(dāng)金屬框始終受到1N的阻力時，要使金屬框維持最大速度，每秒鐘需要消耗多少能量？這些能量是誰提供的？

Answer 1

（1）此題的難點在于存在交變磁場。首先分析 ac和bd邊產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，由于磁場方向相反，且線圈相對于磁場向左運(yùn)動，因此，在如圖位置的電動勢方向相同（逆時針），根據(jù)左手定則，ac和bd邊受到的安培力都向右。所以金屬框做變加速運(yùn)動，最終做勻速直線運(yùn)動。（5分）
（2）金屬框相對于地面的速度為  
（3）每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的焦耳熱為Q₂：
根據(jù)能量守恒可知這些能量都是由磁場提供。

（1）此題的難點在于存在交變磁場。首先分析 ac和bd邊產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，由于磁場方向相反，且線圈相對于磁場向左運(yùn)動，因此，在如圖位置的電動勢方向相同（逆時針），根據(jù)左手定則，ac和bd邊受到的安培力都向右。所以金屬框做變加速運(yùn)動，最終做勻速直線運(yùn)動。（5分）
（2）當(dāng)金屬框受到阻力，最終做勻速直線運(yùn)動時，阻力與線框受到的安培力平衡。設(shè)此時金屬框相對于磁場的速度為v則,
所以金屬框相對于地面的速度為                                                                                                                            
（3）要使金屬框維持最大速度， 必須給系統(tǒng)補(bǔ)充能量：一方面，線框內(nèi)部要產(chǎn)生焦耳熱；另一方面，由于受到阻力，摩擦生熱。設(shè)每秒鐘消耗的能量為E，這些能量都是由磁場誰提供。
由于摩擦每秒鐘產(chǎn)生的熱量為Q₁：
每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的焦耳熱為Q₂：

根據(jù)能量守恒可知這些能量都是由磁場提供。
此題的實質(zhì)是利用了金屬導(dǎo)體切割產(chǎn)生了電動勢，從而產(chǎn)生了動力安培力，但由于出現(xiàn)了相對運(yùn)動，切割速度必須是相對速度，還有的同學(xué)不能從能量角度來分析問題，不能找出能量的來源。