近年来，电动汽车在我国迅速发展，其动力装置是电动机。如图甲所示是一台最简单的直流电动机模型示意图，固定部分（定子）装了一对磁极，旋转部分（转子）装了圆柱形铁芯，将abcd矩形单匝导线框固定在转子铁芯上，能与转子一起绕轴转动。线框与铁芯是绝缘的，线框通过换向器与直流电源连接。定子与转子之间的空隙很小，可认为磁场沿径向分布，线框无论转到什么位置，它的平面都跟磁感线平行，如图乙所示，线框所处位置的磁感应强度大小均为B。已知ab、cd边的质量均为M、长度均为L，其他部分质量不计，线框总电阻为R。电源电动势为E，内阻不计。当闭合开关S，线框由静止开始在磁场中转动，忽略一切阻力与摩擦，以及线圈的自感系数。

1. 近年来，电动汽车在我国迅速发展，其动力装置是电动机。如图甲所示是一台最简单的直流电动机模型示意图，固定部分（定子）装了一对磁极，旋转部分（转子）装了圆柱形铁芯，将abcd矩形单匝导线框固定在转子铁芯上，能与转子一起绕轴 $\text{[math]}$ 转动。线框与铁芯是绝缘的，线框通过换向器与直流电源连接。定子与转子之间的空隙很小，可认为磁场沿径向分布，线框无论转到什么位置，它的平面都跟磁感线平行，如图乙所示，线框所处位置的磁感应强度大小均为B。已知ab、cd边的质量均为M、长度均为L，其他部分质量不计，线框总电阻为R。电源电动势为E，内阻不计。当闭合开关S，线框由静止开始在磁场中转动，忽略一切阻力与摩擦，以及线圈的自感系数。

(1) 分别求出刚闭合开关S后瞬间、线框的转速达到稳定后线框中的电流 $\text{[math]}$ 和 $\text{[math]}$ ；

(2) 求闭合开关后，线框由静止开始转动，到转动速率达到稳定的过程中，线框ab边能达到的最大速度 $\text{[math]}$ 和电源所释放的电能W；

(3) 当用电动机带动其他机器稳定工作时，线框的ab、cd边相当于都受到与转动速度方向相反、大小恒定的阻力f，f不同转动速率也不同。写出此时电动机工作效率 $\text{[math]}$ 的表达式，并求出当 $\text{[math]}$ 时，线框的ab、cd边转动的速率。

【考点】

安培力的计算; 电磁感应中的磁变类问题;

【答案】

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解答题困难

1. 如图（a）是游戏设备——太空梭，人固定在座椅车上从高处竖直下坠，体验瞬间失重的刺激。某工程师利用磁场控制座椅车速度，其原理图可简化为图（b）。座椅车包括座椅和金属框架，金属框架由竖直金属棒ab、cd及5根水平金属棒组成。ab、cd长度均为4h，电阻不计；5根水平金属棒等距离分布，长度均为L，电阻均为R。地面上方足够高处存在竖直宽度为h的有界匀强磁场，磁感应强度大小为B，方向垂直于竖直面向里。某次试验时，将假人固定在座椅车上，座椅车竖直放置，让座椅车从金属棒bc距离磁场上边界h高处由静止下落，金属棒bc进入磁场后即保持匀速直线运动，不计摩擦和空气阻力，重力加速度大小为g。求：

（1）人和座椅车的总质量m；

（2）从bc离开磁场到ad离开磁场的过程中，流过金属棒bc的电荷量q；

（3）金属框架abcd穿过磁场的过程中，金属棒bc上产生的热量Q。

解答题困难

2. 如图所示为某种“电磁枪”的原理图。在竖直向下的匀强磁场中，两根相距L的平行长直金属导轨水平放置，左端接电容为C的电容器，一导体棒放置在导轨上，与导轨垂直且接触良好，不计导轨电阻及导体棒与导轨间的摩擦。已知磁场的磁感应强度大小为B，导体棒的质量为m、接入电路的电阻为R。开关闭合前电容器的电荷量为Q。

(1) 求闭合开关瞬间通过导体棒的电流I；

(2) 求闭合开关瞬间导体棒的加速度大小a。.

解答题普通

3. 如图所示，有一个单匝正方形闭合线框 $\text{[math]}$ ，边长为L，质量为m。线框下方有一水平匀强磁场，磁场方向垂直线框所在平面，磁感应强度为B磁场区域宽度为L。在磁场上方某一高度处释放线框，线框在下落过程中始终与磁场方向垂直，且 $\text{[math]}$ 边保持水平。若线框恰好以速度v匀速通过磁场，重力加速度为g，空气阻力可忽略不计，求：

（1）线框进入磁场过程中， $\text{[math]}$ 两点间的电势差U；

（2）线框通过磁场过程中产生的热量Q；

（3）若将线框从更高的地方释放，请分析说明线框通过磁场过程中的运动情况。

解答题普通