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什么是同心针如图甲所示.在半径为R的圆柱形区域内存在方向竖直向上的匀强磁场.根据麦克斯韦电磁理论.当磁场均匀增加时.会在空间激发恒定的感生电场.其电场线是在水平面内的一系列沿顺时针方向的同心圆.圆心与磁场区域的中心O重合.在半径为r的圆周上.感生电场的电场强度大小处处相等.并且可以用E=$\frac{?}{2π

分析 (1)根据法拉第电磁感应定律求出感应电动势,结合题目给出的感生电场的电场强度公式,即可求解
(2)求出电荷所受电场力,然后运用牛顿第二定律求出切向加速度,利用运动学公式求出速度,再结合圆周运动v=ωr求出角速度
(3)利用左手定则判断洛伦兹力方向,运用微元法求张力.

解答 解:(1)导体圆环内的磁通量发生变化,将产生感生电动势,根据法拉第电磁感应定律,感生电动势为:${E}_{感}=frac{△B}{△t}S=frac{{B}_{0}}{{t}_{0}}π{r}^{2}$
时间t0内圆环所在位置感生电场的电场强度的大小
$E=frac{{E}_{感}}{2πr}$=$frac{q{B}_{0}r}{2{t}_{0}}$
(2)细圆环等效为一个带电量为q的带电小球,所受的电场力$F=qE=frac{q{B}_{0}r}{2{t}_{0}}$
切向加速度a=$frac{F}{m}$=$frac{q{B}_{0}r}{2m{t}_{0}}$
经过时间t0,速度v=at0=$frac{q{B}_{0}r}{2m}$
角速度$ω=frac{v}{r}$=$frac{q{B}_{0}}{2m}$
(3)由左手定则得,圆环上电荷所受洛伦兹力指向圆心;当环匀速转动时,环上电荷也随环一起转动,形成电流,电流在磁场中受力导致环中存在张力,显然此张力一定与电流在磁场中受到的安培力有关.由题意可知环上各点所受安培力方向均不同,张力方向也不同,因而只能在环上取一小段作为研究对象,从而求出环中张力的大小.在圆环上取△l=r△θ圆弧元,受力情况如图所示.因转动角速度ω而形成电流:$I=frac{qω}{2π}$,电流元I△L所受的安培力△F=I△lB0=$frac{rω}{2π}q{B}_{0}△θ$
圆环法线方向合力圆弧元做匀速圆周运动所需的向心力,故:$2Tsinfrac{△θ}{2}+△F=△m{ω}^{2}r$
当△θ很小时,$sinfrac{△θ}{2}≈frac{△θ}{2}$,故有$T△θ+frac{rω}{2π}q{B}_{0}△θ=frac{m{ω}^{2}r}{2π}△θ$
解得圆环中张力
T=$frac{rω}{2π}(mω-q{B}_{0})$
将(2)中ω代入上式T=-$frac{{q}^{2}{B}_{0}^{2}r}{8π}$(负号表示与图示方向相反)
答:(1)求时间t0内圆环所在位置感生电场的电场强度的大小E为$frac{q{B}_{0}r}{2{t}_{0}}$;
(2)磁场增强时圆环开始绕圆心O无摩擦地转动,求圆环匀速转动时的角速度大小为$frac{q{B}_{0}}{2m}$;
(3)当圆环匀速转动时,试判断圆环上的电荷受到的洛伦兹力的方向,并求圆环中张力(或挤压力)的大小为$frac{{q}^{2}{B}_{0}^{2}r}{8π}$.

点评 考查电磁学与力学综合运用的内容,掌握法拉第电磁感应定律,注意电场强度与电动势的符号区别,第一问比较基础,第三问有创新,比较新颖,难度较大.

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