解题思路:(1)从如图所示的位置由静止释放重物,线框上升的过程中,系统的机械能守恒,即可由机械能守恒定律求出线框到达磁场边界时速度大小.由E=BL1v、I=[E/R]、F=BIL,求出线框进入磁场时的安培力F,再根据牛顿第二定律对重物和线框分别列式,即可求得绳上的张力T;
(2)由题,线圈向上运动进出磁场的两个边界的过程中运动情况完全相同,线框穿出磁场上边界时的速度等于刚进入磁场时的速度,对整个穿过磁场的过程,根据能量守恒求解线圈穿过磁场的整个过程中产生的焦耳热.
(1)设线圈ab边刚好进入磁场时,速度为v1,加速度为a,对两个物体组成的系统,根据机械能守恒得:
2mg•2L-mg•2L=[1/2(2m+m)
v21]①
ab边上的感应电动势为:E=BL1v ②
线圈中的感应电流为:I=[E/R]③
ab边所受的安培力为:F=BIL④
设绳上的拉力为T,选加速度作为正方向,对重物与线圈分别利用牛顿第二定律可得:
T-2mg=2ma⑤
F+mg-T=ma⑥
联立以上几式可得:T=[4mg/3]+
4B2L2
3gL
9R
(2)设线圈的cd边刚好进入磁场时速度为v2,由于线圈向上运动进出磁场的两个边界过程的运动情况完全一样,故线圈ab边到达磁场上边界时的速度必定是v1,线圈cd边刚好出磁场时速度为v2.整个线圈在磁场中时,由机械能守恒有:
2mgL-mgL=[1/2(2m+m)
v21]-[1/2(2m+m)
v22]⑦
对整个过程中,由能量守恒知:系统的机械能减少等于产生的内能,则有:
Q=(2mg•3L-mg•3L)+[1/2(2m+m)
v21]-[1/2(2m+m)
v22]⑧
故焦耳热为:Q=4mgL⑨
答:
(1)ab边进入磁场的瞬间,绳上的张力T为[4mg/3]+
4B2L2
3gL
9R;
(2)线圈穿过磁场的整个过程中产生的焦耳热是4mgL.
点评:
本题考点: 导体切割磁感线时的感应电动势;牛顿第二定律;闭合电路的欧姆定律;电磁感应中的能量转化.
考点点评: 本题力学知识与电磁感应的综合,关键要认真审题,明确物体运动的过程,及过程中受力及力的做功情况,选择合适的规律即可求解.