渦流制動是一種利用電磁感應原理工作的新型制動方式，它的基本原理如圖甲所示．水平面上固定一塊鋁板，當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，鋁板內(nèi)感應出的渦流會對磁鐵的運動產(chǎn)生阻礙作用．渦流制動是磁懸浮列車在高速運行時進行制動的一種方式．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過程．車廂下端安裝有電磁鐵系統(tǒng)，能在長為L₁=0.6m，寬L₂=0.2m的矩形區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生豎直方向的勻強磁場，磁感應強度可隨車速的減小而自動增大（由車內(nèi)速度傳感器控制），但最大不超過B₁=2T，將鋁板簡化為長大于L₁，寬也為L₂的單匝矩形線圈，間隔鋪設在軌道正中央，其間隔也為L₂，每個線圈的電阻為R₁=0.1Ω，導線粗細忽略不計．在某次實驗中，模型車速度為v=20m/s時，啟動電磁鐵系統(tǒng)開始制動，車立即以加速度a₁=2m/s²做勻減速直線運動，當磁感應強度增加到B₁時就保持不變，直到模型車停止運動．已知模型車的總質(zhì)量為m₁=36kg，空氣阻力不計．不考慮磁感應強度的變化引起的電磁感應現(xiàn)象以及線圈激發(fā)的磁場對電磁鐵產(chǎn)生磁場的影響．

（1）電磁鐵的磁感應強度達到最大時，模型車的速度為多大？
（2）模型車的制動距離為多大？
（3）為了節(jié)約能源，將電磁鐵換成若干個并在一起的永磁鐵組，兩個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m₂=20kg，永磁鐵激發(fā)的磁感應強度恒為B₂=0.1T，每個線圈匝數(shù)為N=10，電阻為R₂=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，為保證制動距離不大于80m，至少安裝幾個永磁鐵？

（10分）如圖甲，MN、PQ兩條平行的光滑金屬軌道與水平面成θ = 30°角固定，M、P之間接電阻箱R，導軌所在空間存在勻強磁場，磁場方向垂直于軌道平面向上，磁感應強度為B = 0.5T。質(zhì)量為m的金屬桿a b水平放置在軌道上，其接入電路的電阻值為r。現(xiàn)從靜止釋放桿a b，測得最大速度為v_m。改變電阻箱的阻值R，得到v_m與R的關(guān)系如圖乙所示。已知軌距為L = 2m，重力加速度g取l0m/s²，軌道足夠長且電阻不計。

（1）當R = 0時，求桿a b勻速下滑過程中產(chǎn)生感生電動勢E的大小及桿中的電流方向；

（2）求金屬桿的質(zhì)量m和阻值r；

（3）當R = 4Ω時，求回路瞬時電功率每增加1W的過程中合外力對桿做的功W。

 

 

（19分）如圖甲，MN、PQ兩條平行的光滑金屬軌道與水平面成θ = 30°角固定，M、P之間接電阻箱R，導軌所在空間存在勻強磁場，磁場方向垂直于軌道平面向上，磁感應強度為B = 0.5T。質(zhì)量為m的金屬桿a b水平放置在軌道上，其接入電路的電阻值為r。現(xiàn)從靜止釋放桿a b，測得最大速度為v_m。改變電阻箱的阻值R，得到v_m與R的關(guān)系如圖乙所示。已知軌距為L = 2m，重力加速度g取l0m/s²，軌道足夠長且電阻不計。

⑴ 當R = 0時，求桿a b勻速下滑過程中產(chǎn)生感生電動勢E的大小及桿中的電流方向；

⑵ 求金屬桿的質(zhì)量m和阻值r；

⑶ 當R = 4Ω時，求回路瞬時電功率每增加1W的過程中合外力對桿做的功W。