Question

如圖甲所示，PQNM是表面粗糙的絕緣斜面，abcd是質(zhì)量m=0.5kg、總電阻R=O．5Q、邊長L=O．5m的正方形金屬線框，線框的匝數(shù)N=10．將線框放在斜面上，使斜面的傾角θ由O°開始緩慢增大，當(dāng)θ增大到37°時(shí)，線框即將沿斜面下滑．現(xiàn)保證斜面的傾角θ=37°，在00′NM的區(qū)域加上垂直斜面方向的勻強(qiáng)磁場，使線框的一半處于磁場中，磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間t變化的圖象如圖乙所示．
（1）試根據(jù)圖乙求出B隨時(shí)間t變化的函數(shù)關(guān)系式．
（2）在t=O時(shí)刻線框是否會(huì)沿斜面運(yùn)動(dòng)？若要運(yùn)動(dòng)，請(qǐng)說出理由；若不運(yùn)動(dòng)，請(qǐng)求出從t=O時(shí)刻開始經(jīng)多長時(shí)間線框即將發(fā)生運(yùn)動(dòng)．（g取10m/s²，sin 37°=O．6）

Answer 1

【答案】分析：（1）從乙圖看出，磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間t均勻增大，由數(shù)學(xué)知識(shí)求出斜率，即可得到B的表達(dá)式；
（2）不加磁場時(shí)，當(dāng)θ=37°時(shí)，線框即將沿斜面下滑，此時(shí)斜面對(duì)線框的靜摩擦力恰好到達(dá)最大值，由平衡條件可求得最大靜摩擦力．加了磁場后，線框受到的安培力方向在斜面平面內(nèi)，線框?qū)π泵娴膲毫Σ蛔儯�最大靜摩擦力不變．當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度增大時(shí)，根據(jù)楞次定律得知線框受到的安培力沿斜面向上．根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律、歐姆定律和安培力公式求出t=0時(shí)刻線框所受的安培力大小，判斷線框能否向上運(yùn)動(dòng)．隨著安培力的增大，當(dāng)線框所受的靜摩擦力沿斜面向下時(shí)，當(dāng)線框剛要上滑時(shí)，靜摩擦力達(dá)到最大值，由平衡條件求出此時(shí)的安培力和磁感應(yīng)強(qiáng)度B，即可由B的表達(dá)式求得時(shí)間．
解答：解：（1）由圖乙所示圖線可知：磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間t均勻增大，所以B=B+kt，其中B=0.2T，
   k==0.4T/s
所以B=0.2+0.4t（T）
（2）不加磁場時(shí)，由題意知，當(dāng)θ=37°時(shí)，線框既將沿斜面下滑，此時(shí)斜面對(duì)線框的靜摩擦力恰好達(dá)到最大值f_max，由平衡條件有
   f_max=mgsinθ=0.6mg=3N．
加磁場后，由于壓力不變，故f_max的大小不變．
無論磁場方向垂直斜面向上還是向下，由楞次定理可知，當(dāng)穿過線框的磁通量增大時(shí)，線框受到的安培力沿斜面向上，因此線框若是運(yùn)動(dòng)，則應(yīng)沿斜面向上．應(yīng)滿足F_安≥mgsinθ+f_max=6N，
由法拉第電磁感應(yīng)定律有
   E=N=N==0.5V
由閉合電路歐姆定律知，電流I==1A，
在t=0時(shí)刻cd邊受到的安培力F=NILB=1N，
故F＜mgsinθ+f_max，
所以在t=0時(shí)刻，線框不會(huì)沿斜面下滑，也不會(huì)沿斜面上滑；
當(dāng)摩擦力方向沿斜面向下達(dá)到最大值時(shí)，線框即將沿斜面向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)線框受力如圖所示，由平衡條件有 
   F_安=NBIL=mgsinθ+f_max=6N
得磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B=1.2T，
由（1）知，B=0.2+0.4t，
則所經(jīng)歷時(shí)間為t=2.5s．
答：
（1）根據(jù)圖乙得到B隨時(shí)間t變化的函數(shù)關(guān)系式是B=0.2+0.4t（T）．
（2）從t=O時(shí)刻開始經(jīng)2.5s時(shí)間線框即將發(fā)生運(yùn)動(dòng)．
點(diǎn)評(píng)：本題是電磁感應(yīng)與力學(xué)知識(shí)，要抓住線框剛要滑動(dòng)時(shí)靜摩擦力牽線最大值這個(gè)臨界條件．當(dāng)穿過線框中磁通量均勻增大時(shí)，線框中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢不變．