一根足够长的空心铜管竖直放置,使一枚直径略小于铜管内径、质量为m0的圆柱形强磁铁从管内某处由静止开始下落,如图1所示,它不会做自由落体运动,而是非常缓慢地穿过铜管,在铜管内下落时的最大速度为v0。强磁铁在管内运动时,不与铜管内壁发生摩擦,空气阻力也可以忽略。产生该现象的原因是变化的磁场在铜管内激发出了涡流,涡流反过来又对强磁铁产生了很大的阻力。虽然该情景中涡流的定量计算非常复杂,我们不需要求解,却仍然可以用我们学过的知识来对下述问题进行分析。
(1)求图1中的强磁铁达到最大速度后铜管的热功率P0;
(2)在图1中,可以认为在强磁铁下落过程中它周围铜管的有效电阻是恒定的,从静止开始下落t时间后达到最大速度。若强磁铁机械能耗散的功率等于其受到的阻力大小与下落速度大小的乘积,求此过程强磁铁的下落高度h;
(3)若将空心铜管切开一条竖直狭缝,如图2所示,强磁铁还从管内某处由静止开始下落,发现强磁铁的下落还是会明显慢于自由落体运动,请你分析这一现象的原因。
【答案】(1)图1中的强磁铁达到最大速度后铜管的热功率是m0gv0;
(2)此过程强磁铁的下落高度h是;
(3)因为此时铜管中仍然会产生涡流,涡流的磁场对强磁铁有阻力作用。
(2)此过程强磁铁的下落高度h是
v
0
t
-
v
0
2
g
(3)因为此时铜管中仍然会产生涡流,涡流的磁场对强磁铁有阻力作用。
【解答】
【点评】
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