Question

一個質(zhì)量為m、直徑為d、電阻為R的金屬圓環(huán)，在范圍足夠大的磁場中豎直向下落，磁場的分布情況如圖所示.已知磁感應(yīng)強度豎直方向分量B_y的大小只隨高度y變化，其隨高度y變化關(guān)系為B_y=?B₀(1+ky)?(此處k為比例常數(shù)，且k＞0)，其中沿圓環(huán)軸線的磁場方向始終豎直向上.金屬圓環(huán)在下落過程中的環(huán)面始終保持水平，速度越來越大，最終穩(wěn)定為某一數(shù)值，稱為收尾速度.求：

(1)圓環(huán)中感應(yīng)電流的方向；
(2)圓環(huán)收尾速度的大小.

Answer 1

(1)順時針(俯視觀察)
(2)16mgR/π²k²B₀²d⁴

(1)根據(jù)楞次定律可知感應(yīng)電流的方向為順時針(俯視觀察).
(2)圓環(huán)下落高度為y時的磁通量為
Φ=BS=Bπ=B₀(1+ky)π                                                 ①
設(shè)收尾速度為v_m，以此速度運動Δt時間內(nèi)磁通量的變化為：ΔΦ=ΔBS=B₀kπv_mΔt ②
根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律有
E==B₀kπv_m                                                       ③
圓環(huán)中感應(yīng)電流的電功率為                                      ④
重力做功的功率為P_G=mgv_m                                              ⑤
根據(jù)能的轉(zhuǎn)化和守恒定律有P_E=P_G                                        ⑥
由①—⑥解得v_m=16mgR/π²k²B₀²d⁴.