选考物理的同学们,下学期我们将继续徜徉在奇妙有趣电磁学世界里,本学期所学内容是否掌握扎实将对选修3-2《电磁感应》一章的学习产生重要的作用。

(1)如图1所示,固定于水平面上的金属框架
abcd,处在竖直向下的匀强磁场中。金属棒
MN沿框架以速度
v向右做匀速运动。框架的
ab与
dc平行,
bc与
ab、
dc垂直。
MN与
bc的长度均为
l,在运动过程中
MN始终与
bc平行,且与框架保持良好接触。磁场的磁感应强度为
B。在上述情景中,金属棒
MN相当于一个电源,这时的非静电力与棒中自由电子所受洛伦兹力有关。请根据电动势的定义,推导金属棒
MN中的电动势
E。
(2)为进一步研究导线做切割磁感线运动产生电动势的过程,现构建如下情景:如图2所示,在垂直于纸面向里的匀强磁场中,一内壁光滑长为
l的绝缘细管
MN,沿纸面以速度
v向右做匀速运动。在管的
N端固定一个电量为
q的带正电小球(可看做质点)。某时刻将小球释放,小球将会沿管运动。已知磁感应强度大小为
B,小球的重力可忽略。在小球沿管从
N运动到
M的过程中,求小球所受各力分别对小球做的功。
(3)再次让我们回到(1)中的问题,从微观角度看,导体棒
MN中的自由电荷所受洛伦兹力在能量转化中起着重要作用。那么,导体棒
MN中的自由电荷所受洛伦兹力是如何在能量转化过程中起到作用的呢?请以图1导体棒
MN匀速运动为例,通过计算分析说明。为了方便,可认为导体棒中的自由电荷为正电荷。