導線框在磁場中的運動往往比單一導體棒的運動稍微復雜,因為涉及不同邊切割磁感線的情況。此類問題如果與力學、能量結合,則將會是一個極好的考點。解答需要注意以下幾個問題:
(1)線框的特殊位置,如:剛進入磁場,剛離開磁場。
(2)注意分解線框的運動過程,每個小過程的運動特點是什么,哪一邊切割磁感線,哪一邊受安培力。
(3)導線框從開始進入,到最后完全離開磁場,整個過程中磁通量變化為零,i-t圖像中,圖線與t軸所圍成的面積和為零(即t軸上下面積相等)。
常見的導線框模型分水平方向導線框模型、豎直方向導線框模型、傾斜導線框模型。
一、水平方向導線框模型例題
1、(2015?黃山二模)如圖,在光滑水平桌面上有一邊長為L、電阻為R的正方形導線框;在導線框右側有一寬度為d(d>L)的條形勻強磁場區域,磁場的邊界與導線框的一邊平行,磁場方向豎直向下.導線框以某一初速度向右運動.t=0時,導線框的右邊恰與磁場的左邊界重合,隨后導線框進入并通過磁場區域.下列v-t圖象中,可能正確描述上述過程的是(? )
解析:在線框進入磁場的過程中,有B2L2v/R=ma,速度慢慢變小,加速度越來越小,速度減小的越來越慢,當線框全部進入磁場后,做勻速直線運動,在出磁場的過程中,依然做加速度減小的減速運動,所以D項正確。
2、(2014?四川模擬)兩磁感應強度均為B的勻強磁場區Ⅰ、Ⅲ,方向如下圖所示,兩區域中間為寬為s的無磁場區Ⅱ,有一邊長為L(L>s),電阻為R的均勻正方形金屬線框abcd置于Ⅰ區域,ab邊與磁場邊界平行,現拉著金屬線框以速度v向右勻速運動,則( BC )
A.當ab邊剛進入中間無磁場區域Ⅱ時,ab兩點間的電壓為3BLv/4
B.當ab邊剛進入磁場區域Ⅲ時,拉力為F=4B2L2v/R
C.把金屬線框從ab邊剛進入Ⅱ區域到完全拉入Ⅲ區域過程中,拉力所做功為
D.把金屬線框從ab邊剛進入Ⅱ區域到完全投入Ⅲ區域過程中,磁通量的變化量為0
一、豎直方向導線框模型例題
1、(2015秋?淮安校級期末)如圖,矩形閉合導體線框在勻強磁場上方,由不同高度靜止釋放,用t1、t2分別表示線框ab邊和cd邊剛進入磁場的時刻.線框下落過程形狀不變,ab邊始終保持與磁場水平邊界線OO′平行,線框平面與磁場方向垂直.設OO′下方磁場區域足夠大,不計空氣影響,則下列反映線框下落過程中速度v隨時間t變化的規律圖象中,可能正確的是(? A )
解析:線框未進入磁場和完全進入磁場時,加速度a=g,物體做勻加速運動。線框進入磁場過程中可能做:(1)勻速運動。
(2)一直減速或先減速后勻速
(3)一直加速或先加速后勻速
設線框剛進入磁場時,設其速率為v:
(1)若安培力F=B2L2v/R=mg,線框在進入磁場的過程中勻速。
(2)若安培力F=B2L2v/R>mg,則在此過程中減速,B2L2v/R — mg=ma,v減小,a減小。
(3)若安培力F=B2L2v/R<mg,則在此過程中加速,mg — B2L2v/R =ma,v減小或加速時,a都減小。
2、如下圖所示,相距為d的兩條水平虛線L1、L2之間是方向水平向里的勻強磁場,磁感應強度為B,質量為m、電阻為R的正方形線圈abcd邊長為L(L<d),將線圈在磁場上方高h處由靜止釋放,cd邊剛進入磁場時速度為Vo,cd邊剛離開磁場時速度也為Vo,則線圈穿越磁場的過程中(從cd邊剛入磁場一直到ab邊剛離開磁場) ( BCD )
A、感應電流做功為mgL
B、感應電流做功為2mgd
C、線圈的最小速度可能為
D、線圈的最小速度一定為
3、如圖所示,質量為m、邊長為L、回路電阻為R的正方形金屬框,用細線吊住,線的另一端跨過兩個定滑輪,掛著一個質量為M(M>m)的砝碼,金屬框上方有一磁感應強度為B的勻強磁場,磁場的下邊界與金屬框的上邊平行且相距一定距離,則在金屬框從開始運動到整個框進入磁場的過程中,下列說法正確的是( BCD )
A、細線對金屬框做的功等于金屬框增加的機械能
B、細線對金屬框的拉力可能等于Mg
C、線框上的熱功率可能大于
D、系統的機械能損失可能小于(M-m)gL
一、傾斜方向導線框模型例題
如圖所示,在傾角θ=37°的光滑斜面上存在一垂直斜面向上的勻強磁場區域MNPQ,磁感應強度B的大小為5T,磁場寬度d=0.55m,有一邊長L=0.4m、質量m1=0.6kg、電阻R=2Ω的正方形均勻導體線框abcd通過一輕質細線跨過光滑的定滑輪與一質量為m2=0.4kg的物體相連,物體與水平面間的動摩擦因數μ=0.4,將線框從圖示位置由靜止釋放,物體到定滑輪的距離足夠長.(取g=10m/s2,sin37°=0.6,cos37°=0.8)求:
(1)線框abcd還未進入磁場的運動過程中,細線中的拉力為多少?
(2)當ab邊剛進入磁場時,線框恰好做勻速直線運動,求線框剛釋放時ab邊距磁場MN邊界的距離x多大?
(3)在(2)問中條件下,若cd邊恰離開磁場邊界PQ時,速度大小為2m/s,求整個運動過程中ab邊產生的熱量為多少?
答案如下: