物理現(xiàn)象的分析常常有宏觀與微觀兩個視角，建構(gòu)合理化模型找出其內(nèi)在聯(lián)系，有助于更加深刻理解其物理本質(zhì)。

（1）如圖甲所示，直流電源、開關(guān)、導(dǎo)線與金屬棒ab組成一個電路。從微觀角度看，開關(guān)閉合時，電源兩端電壓會在金屬棒內(nèi)部形成恒定電場，每個自由電子都在電場力作用下開始定向運(yùn)動，但這些電子會與導(dǎo)體棒中的金屬正離子發(fā)生碰撞，碰撞后電子向各方向運(yùn)動的機(jī)會相同，沿導(dǎo)線方向的定向運(yùn)動速度變?yōu)?；此后自由電子再加速、再碰撞……，這種定向運(yùn)動在宏觀上形成了電流。已知電源兩端電壓為U，金屬棒的長度為L，橫截面積為S，單位體積內(nèi)自由電子數(shù)為n,電子的質(zhì)量為m,電荷量為e,連續(xù)兩次碰撞間隔的平均時間為t₀，碰撞時間不計。僅在自由電子和金屬正離子碰撞時才考慮粒子間的相互作用，導(dǎo)線及開關(guān)的電阻不計。
a.求自由電子定向運(yùn)動時的加速度大小a；
b.求t₀時間內(nèi)自由電子定向運(yùn)動的平均速率v₀；
c.推導(dǎo)金屬棒中形成電流I的表達(dá)式。
（2）某同學(xué)受磁流體發(fā)電機(jī)的啟發(fā)，設(shè)計了一種新型發(fā)電裝置。如圖乙所示，將發(fā)電裝置、開關(guān)、導(dǎo)線與電阻組成一個電路，這種新型發(fā)電裝置可視為直流電源。從微觀角度看，兩面積足夠大的平行金屬極板A、C間有一個垂直紙面向里，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場，將一束帶正電的離子流以速度v沿垂直于B的方向噴入磁場，帶正電的離子在洛倫茲力作用下向A極板偏轉(zhuǎn)，由于靜電感應(yīng)在C極板上感應(yīng)出等量的負(fù)電荷。宏觀上A、C兩板間產(chǎn)生電勢差，可為阻值為R的外電阻供電。已知每個離子的質(zhì)量均為m,電荷量為+q,單位時間內(nèi)沿垂直極板方向上單位長度噴射的正離子個數(shù)為n,A、C兩板間距為d,且d大于

2

mv

q

B

。忽略離子的重力及離子間的相互作用力。
a.只閉合開關(guān)S₁外電路短路，求短路電流I_m；
b.只閉合開關(guān)S₂，電路中電流穩(wěn)定后，若單位時間內(nèi)打在極板A上的離子數(shù)為N，請寫出N與R的關(guān)系式。