Question

如图所示，由粗细均匀的电阻丝绕成的矩形导线框abcd固定于水平面上，导线框边长=L, =2L，整个线框处于竖直方向的匀强磁场中，磁场的磁感应强度为B，导线框上各段导线的电阻与其长度成正比，已知该种电阻丝单位长度上的电阻为，的单位是Ω/m．今在导线框上放置一个与ab边平行且与导线框接触良好的金属棒MN,MN的电阻为r，其材料与导线框的材料不同．金属棒MN在外力作用下沿x轴正方向做速度为v的匀速运动，在金属棒从导线框最左端（该处x=0)运动到导线框最右端的过程中：

 (1)请写出金属棒中的感应电流I随x变化的函数关系式；

(2)试证明当金属棒运动到bc段中点时，MN两点间电压最大，并请写出最大电压U_m的表达式；

(3)试求出在此过程中，金属棒提供的最大电功率P_m；

 (4)试讨论在此过程中，导线框上消耗的电功率可能的变化情况．

Answer 1

(1)                      

(2)证明略，M、N两点间电压有最大值 。

 (3) 金属棒提供的最大电功率

(4）当r<时，导线框上消耗的电功率先变小，后变大；当< r<时，导线框上消耗的电功率先变大，后变小，再变大，再变小；当r>时，导线框上消耗的电功率先变大，后变小．

解析:

(1) E= BLv,                      

(2)M、N两点间电压，当外电路电阻最大时，U有最大值。.

因为外电路电阻，当，即x=L时，R有最大值，所以x=L时，即金属棒在bc中点时M、N两点间电压有最大值，即。

 (3)  

(4）外电路电阻，。

当r<，即r<时，导线框上消耗的电功率先变小，后变大；当< r<，即<r<时，导线框上消耗的电功率先变大，后变小，再变大，再变小；当r>，即r>时，导线框上消耗的电功率先变大，后变小．