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6-4-3磁力刹车(ppt)
“磁力刹车”问题的研究 磁力刹车 一个强磁铁从非铁磁性金属管内降落下来时,他会经历一个阻滞力,研究这个现象。 一:问题研究的基本思路 先从定性分析的角度阐明了磁铁在金属管中的运动状态的变化,进而通过“假设”,“模型建立”,“数学计算和物理分析’,定量解释和说明了“磁力刹车”的物理学原理。 二:问题的研究 (1)定性分析 一个强磁铁从非磁铁性金属管内下降过程中,金属管感受到下落磁铁磁场的变化,据电磁感应定律知,金属管(可以看做有无数个金属环构成)内产生感应电动势,从而产生感应电流,进而形成阻碍磁铁运动的安培力。随着磁铁下落速度的增大,安培力也随之变大。在竖直方向上,当磁铁的重力与安培力达到受力平衡时(忽略空气阻力的影响),磁铁将保持匀速直线运动状态,直到穿出金属管时,做近似的自由落体运动。 (2)定量分析 磁铁的运动过程可分为两个阶段:1、加速度减小的加速运动,2、匀速运动(假设金属管足够长) 1.第一过程(加速度减小的加速运动)的分析 模型的建立 A,为便于物理上的理解和数学上的运算,对磁铁和金属管大小,及初始的位置摆放做以下假设: 磁体为圆柱型,摆放时与金属管共轴 磁体半径略小于金属管的内半径R 下落过程中忽略空气的阻力 金属管的横截面面积为1个单位 金属管由无限多个金属圆环组成 忽略漏磁现象 B,建立坐标系:设Z轴原点在金属管上端面,令Z轴与金属管共轴,正方向为竖直向下。 设金属管电阻率为ρ,管内半径为R,则每一环电阻 根据法拉第电磁感应定律,设磁体穿过圆环的等效磁感应强度为B,则磁体通过圆环的磁通量为 ,在dt时间内,下落距离为dz,即磁体穿过dz个金属环,则感生电动势为 金属圆环的电流为 由于磁体对金属圆环成对称发散,令圆环处磁感应强度为 ,其方向与金属管母线夹角为 ,如图1,据安培定律金属圆环所受磁力为 磁体由静止自由落入金属管,受重力Mg和 ,则: 即是 ................................................................① 将①式积分,得 利用初始条件,t=0,z=0, ,代入上式得 则 .....................................................................② 解微分方程得 利用初始条件t=0,z=0,代入上式得 则 ................................................................③ 将上式代入 ................................................................④ 再由④式得加速度 其中 磁体的加速度随时间变化如图2,图3 C,现在讨论 值得问题 法?理论计算:由以上知 由(3)(4)消去时间t,可得 ................................................................⑥ 将⑥式微分得dz=Adv(A是一个关于v的函数, 原则上可求) ................................................................⑦ ...................................................................⑤ 将⑦式代入⑤式积分,则 (理论上,完全可以求出,但是极其复杂) 法(2) 令 由于f(t)中的指数因子 极大 ∴ (为极限中的无穷小量) 也就是说,当t由 时,速度v已经由 D,现在讨论穿过圆环的等效磁感应强度B的问题 我们可用磁荷法计算磁体周围磁场分布,对于圆柱形磁铁,可以近似认为沿轴线方向均匀极化,即磁场的磁化强度 沿轴线方向均匀极化,即磁场的磁化强度 沿轴线方向,且在磁铁内为常矢量,则 2:第二个过程
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