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高中物理
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综合题
1.
(2022·浙江模拟)
在学校举办的高楼落蛋活动中,为保证鸡蛋从高处落地后能完好无损,小明设计了如图甲所示的装置。装置下端安装了一个横截面(俯视)如图乙所示的磁体,其内、外分别为圆柱形和圆筒形。两者固定在一起,且两者间存在沿径向向外的磁场,不考虑磁体在其他区域产生的磁场。圆筒形磁体与两条平行金属导轨AH和BG固定在一起,CDEF是一个金属线框,DE、CF被约束在导轨的凹槽内,可沿导轨无摩擦滑动,线框CD的正中间接有一个半径为r(r略大于圆柱形磁体的半径)、匝数为N、总电阻为R的线圈,EF之间接有一只装有鸡蛋的铝盒,铝盒的电阻也为R。导轨上方固定有一根绝缘细棒HG。细棒与铝盒间连接了一根劲度系数为k的轻质绝缘弹簧。小明将该装置置于距离水平地面高h(h远大于装置自身高度)处,并保持导轨竖直,待铝盒静止后将弹簧锁定,此时线圈恰好位于磁体上边界处。现由静止释放装置,整个装置竖直落到水平地面上后弹簧立即解除锁定,且磁体连同两导轨和绝缘棒HG的速度立即变为零。已知线框CDEF(含线圈、铝盒、鸡蛋)的总质量为m,线框第一次运动到最低点时弹簧的形变量是装置刚落地时的两倍,此时EF仍未进入磁场,线圈所在处的磁感应强度大小均为B,重力加速度为g,弹簧始终在弹性限度内,除线圈和铝盒外,线框其他部分的电阻不计,忽略空气阻力。求:
(1) 落地时线圈切割磁感线产生的感应电动势E以及线圈中感应电流的方向(俯视);
(2) 从落地到线框最终静止的过程中,回路产生的总焦耳热Q;
(3) 从落地到线框第一次运动到最低点的过程中,通过回路某截面的电荷量q。
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