Question

【題目】磁流體發(fā)電具有結(jié)構(gòu)簡單、啟動(dòng)快捷、環(huán)保且無需轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械等優(yōu)勢。如圖所示，是正處于研究階段的磁流體發(fā)電機(jī)的簡易模型圖，其發(fā)電通道是一個(gè)長方體空腔，長、高、寬分別為l、a、b，前后兩個(gè)側(cè)面是絕緣體，上下兩個(gè)側(cè)面是電阻可忽略的導(dǎo)體電極，這兩個(gè)電極通過開關(guān)與阻值為R的某種金屬直導(dǎo)體MN連成閉合電路，整個(gè)發(fā)電通道處于勻強(qiáng)磁場中，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小為B，方向垂直紙面向里。高溫等離子體以不變的速率v水平向右噴入發(fā)電通道內(nèi)，發(fā)電機(jī)的等效內(nèi)阻為r，忽略等離子體的重力、相互作用力及其他因素。

（1）求該磁流體發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢大小E；

（2）當(dāng)開關(guān)閉合后，整個(gè)閉合電路中就會(huì)產(chǎn)生恒定的電流。

a．要使等離子體以不變的速率v通過發(fā)電通道，必須有推動(dòng)等離子體在發(fā)電通道內(nèi)前進(jìn)的作用力。如果不計(jì)其它損耗，這個(gè)推力的功率PT就應(yīng)該等于該發(fā)電機(jī)的總功率PD，請你證明這個(gè)結(jié)論；

b．若以該金屬直導(dǎo)體MN為研究對象，由于電場的作用，金屬導(dǎo)體中自由電子定向運(yùn)動(dòng)的速率增加，但運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)與導(dǎo)體內(nèi)不動(dòng)的粒子碰撞從而減速，因此自由電子定向運(yùn)動(dòng)的平均速率不隨時(shí)間變化。設(shè)該金屬導(dǎo)體的橫截面積為s，電阻率為，電子在金屬導(dǎo)體中可認(rèn)為均勻分布，每個(gè)電子的電荷量為e。求金屬導(dǎo)體中每個(gè)電子所受平均阻力的大小f。

Answer 1

【答案】（1）Bav （2）a.略；b.

【解析】

試題分析：（1）當(dāng)外電路斷開時(shí)，極板間的電壓大小等于電動(dòng)勢。此時(shí)，發(fā)電通道內(nèi)電荷量為q的離子受力平衡。有：

①

可得：②（3分）

（2）a．當(dāng)電鍵閉合，由歐姆定律可得：③

該電流在發(fā)電通道內(nèi)受到的安培力大小為： ④

要使等離子體做勻速直線運(yùn)動(dòng)，所需的推力為: ⑤

推力F的功率為： ⑥

聯(lián)立②③④⑤⑥可得：⑦

閉合電路中發(fā)電機(jī)的總功率為: ⑧

聯(lián)立②③⑧可得：⑨

由⑦⑨可得：

可見，推力的功率就等于該發(fā)電機(jī)的總功率。

b．方法一：

設(shè)金屬導(dǎo)體R內(nèi)電子運(yùn)動(dòng)的平均速率為v1，單位體積內(nèi)的電子數(shù)為n， t時(shí)間內(nèi)有N個(gè)電子通過電阻的橫截面，則：

⑩

t時(shí)間內(nèi)通過橫截面的電荷量為：

電流為：

聯(lián)立②③⑩ 式可得：

設(shè)金屬導(dǎo)體中的總電子數(shù)為N1，長度為d，由于電子在金屬導(dǎo)體內(nèi)可視為勻速直線運(yùn)動(dòng)，所以電場力的功率（電功率）應(yīng)該等于所有電子克服阻力f做功的功率，即：

由電阻定律得：

聯(lián)立②③ 式可得：

方法二：設(shè)金屬導(dǎo)體的長度為d，電阻為R，由電阻定律得：

金屬導(dǎo)體兩端的電壓為：

金屬導(dǎo)體內(nèi)的電場可看作勻強(qiáng)電場，設(shè)場強(qiáng)大小為E0，則：

電子在金屬導(dǎo)體內(nèi)勻速直線運(yùn)動(dòng)，阻力等于電場力，則：

聯(lián)立②③ 式可得：