导体切割磁感线的运动可以从宏观和微观两个角度来认识。如图所示,固定于水平面的U形导线框处于竖直向下的匀强磁场中,金属直导线在与其垂直的水平恒力的作用下,在导线框上以速度做匀速运动,速度与恒力方向相同,导线始终与导线框形成闭合电路,已知导线电阻为,其长度,恰好等于平行轨道间距,磁场的磁感应强度为,忽略摩擦阻力和导线框的电阻。
(1)通过公式推导验证:在时间内,也等于导线中产生的焦耳热。
(2)若导线的质量=8.0,长度=0.1,感应电流=1.0,假设一个原子贡献1个自由电子,计算导线中电子沿导线长度方向定向移动的平均速率(下表中列出了一些你可能用到的数据)。
(3)经典物理学认为,金属的电阻源于定向运动自由电子和金属离子(金属原子失去电子后剩余部分)的碰撞,展开你想象的翅膀,给出一个合理的自由电子运动模型:在此基础上,求出导线中金属离子对一个自由电子沿导线长度方向的平均作用力的表达式。