在學校舉辦的高樓落蛋活動中,為保證雞蛋從高處落地后能完好無損,小明設計了如圖甲所示的裝置。裝置下端安裝了一個橫截面(俯視)如圖乙所示的磁體,其內、外分別為圓柱形和圓筒形。兩者固定在一起,且兩者間存在沿徑向向外的磁場,不考慮磁體在其他區(qū)域產(chǎn)生的磁場。圓筒形磁體與兩條平行金屬導軌AH和BG固定在一起,CDEF是一個金屬線框,DF、CE被約束在導軌的凹槽內,可沿導軌無摩擦滑動,線框CD的正中間接有一個半徑為r(r略大于圓柱形磁體的半徑)、匝數(shù)為N、總電阻為R的線圈,EF之間接有一只裝有雞蛋的鋁盒,鋁盒的電阻也為R。導軌上方固定有一根絕緣細棒HG。細棒與鋁盒間連接了一根勁度系數(shù)為k的輕質絕緣彈簧。小明將該裝置置于距離水平地面高h(h遠大于裝置自身高度)處,并保持導軌豎直,待鋁盒靜止后將彈簧鎖定,此時線圈恰好位于磁體上邊界處。現(xiàn)由靜止釋放裝置,整個裝置豎直落到水平地面上后彈簧立即解除鎖定,且磁體連同兩導軌和絕緣棒HG的速度立即變?yōu)榱?。已知線框CDEF(含線圈、鋁盒、雞蛋)的總質量為m,線框第一次運動到最低點時彈簧的形變量是裝置剛落地時的兩倍,此時EF仍未進入磁場,線圈所在處的磁感應強度大小均為B,重力加速度為g,彈簧始終在彈性限度內,除線圈和鋁盒外,線框其他部分的電阻不計,忽略空氣阻力。求:
(1)落地時線圈切割磁感線產(chǎn)生的感應電動勢E以及線圈中感應電流的方向(俯視);
(2)從落地到線框最終靜止的過程中,回路產(chǎn)生的總焦耳熱Q;
(3)從落地到線框第一次運動到最低點的過程中,通過回路某截面的電荷量q。
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【解答】
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