磁悬浮列车是一种高速运载工具,它由两个系统组成.一是悬浮系统,利用磁力使车体在轨道上悬浮起来从而减小阻力.另一是驱动系统,即利用磁场与固定在车体下部的感应金属线圈相

◎ 题目

磁悬浮列车是一种高速运载工具,它由两个系统组成.一是悬浮系统,利用磁力使车体在轨道上悬浮起来从而减小阻力.另一是驱动系统,即利用磁场与固定在车体下部的感应金属线圈相互作用,使车体获得牵引力,图22就是这种磁悬浮列车电磁驱动装置的原理示意图.即在水平面上有两根很长的平行轨道PQ和MN,轨道间有垂直轨道平面的匀强磁场B1和B2,且B1和B2的方向相反,大小相等,即B1=B2=B.列车底部固定着绕有N匝闭合的矩形金属线圈abcd(列车的车厢在图中未画出),车厢与线圈绝缘.两轨道间距及线圈垂直轨道的ab边长均为L,两磁场的宽度均与线圈的ad边长相同.当两磁场Bl和B2同时沿轨道方向向右运动时,线圈会受到向右的磁场力,带动列车沿导轨运动.已知列车车厢及线圈的总质量为M,整个线圈的总电阻为R.
(1)假设用两磁场同时水平向右以速度v0作匀速运动来起动列车,为使列车能随磁场运动,列车所受的阻力大小应满足的条件;
(2)设列车所受阻力大小恒为f,假如使列车水平向右以速度v做匀速运动,求维持列车运动外界在单位时间内需提供的总能量;
(3)设列车所受阻力大小恒为f,假如用两磁场由静止开始向右做匀加速运动来起动列车,当两磁场运动的时间为t1时,列车正在向右做匀加速直线运动,此时列车的速度为v1,求两磁场开始运动到列车开始运动所需要的时间t0
魔方格

◎ 答案

(1)列车静止时,电流最大,列车受到的电磁驱动力最大设为Fm,此时,线框中产生的感应电动势                    
 E1=2NBLv0
线框中的电流      I1=
E1
R

整个线框受到的安培力    Fm=2NBI1L
列车所受阻力大小为fmFm=
4N2B2L2v0
R

(2)当列车以速度v匀速运动时,两磁场水平向右运动的速度为v′,金属框中感应电动势E=2NBL(v'-v)
金属框中感应电流I=
2NBL(v′-v)
R

又因为            F=2NBIL=f
求得           v′=v+
fR
4N2B2L2

当列车匀速运动时,金属框中的热功率为   P1=I2R
克服阻力的功率为     P2=fv
所以可求得外界在单位时间内需提供的总能量为
E=I2R+fv=fv+
f2R
4N2B2L2

(3)根据题意分析可得,为实现列车最终沿水平方向做匀加速直线运动,其加速度必须与两磁场由静止开始做匀加速直线运动的加速度相同,设加速度为a,则t1时刻金属线圈中的电动势                 
                 E=2NBL(at1-v1
金属框中感应电流              I=
2NB L (at1-v1)
R

又因为安培力              F=2NBIL=
4N2B2L2(at1-v1)
R

所以对列车,由牛顿第二定律得    
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