- 电磁感应
- 共4515题
两根足够长的光滑导轨竖直放置,间距为L,底端接阻值为R的电阻.将质量为m的金属棒悬挂在一个固定的轻弹簧下端,金属棒和导轨接触良好,导轨所在平面与磁感应强度为B的匀强磁场垂直,如图所示.除电阻R外其余电阻不计.现将金属棒从弹簧原长位置由静止释放.则( )
正确答案
解析
解:
A、释放瞬间金属棒的速度为零,没有感应电流产生,不受安培力,金属棒只受重力,所以金属棒的加速度为g.故A错误.
B、金属棒向下运动时切割磁感线,根据右手定则判断可知,流过电阻R的电流方向为b→a,故B正确.
C、金属棒的速度为v时,回路中产生的感应电流为 I=,所受的安培力大小为 F=BIL=BL
=
.故C正确.
D、由于金属棒产生感应电流,受到安培力的阻碍,系统的机械能不断减少,最终金属棒停止运动,弹簧具有弹性势能,所以导体棒的重力势能转化为内能和弹簧的弹性势能,则根据能量守恒定律得知在金属棒运动的过程中,电阻R上产生的总热量等于棒的重力势能减少量与弹簧弹性势能之差,故D错误.
故选:BC.
如图,虚线所示的范围内有一匀强磁场,磁场方向垂直纸面向里,矩形线框abcd沿水平方向并自左向右匀速通过磁场.当线框通过图中①、②、③位置时,线框内的感应电流分别为i1、i2、i3,则( )
正确答案
解析
解:根据感应电流产生条件:穿过线圈的磁通量发生变化,所以当线圈完全进入时,线圈中没有感应电流.因此i2=0
而线圈正在进入磁场与正在离开磁场,导致磁通量发生变化,所以i1、i3都不等于零.
再根据切割磁感线产生电动势E=BLV与可得:i1=i3.
故选:D
如图所示,相距为d的两条水平虚线L1、L2之间是方向水平向里的匀强磁场,磁感应强度为B,质量为m、电阻为R的正方形线圈abcd边长为L(L<d),将线圈在磁场上方高h处由静止释放,cd边刚进入磁场时速度为v0,cd边刚离开磁场时速度也为v0,则线圈穿越磁场的过程中(从cd边刚入磁场一直到ab边刚离开磁场)( )
正确答案
解析
解:A、B、根据能量守恒,研究从cd边刚进入磁场到cd边刚穿出磁场的过程:动能变化量为0,重力势能转化为线框进入磁场的过程中产生的热量,Q=mgd.
cd边刚进入磁场时速度为v0,cd边刚离开磁场时速度也为v0,所以从cd边刚穿出磁场到ab边离开磁场的过程,线框产生的热量与从cd边刚进入磁场到ab边刚进入磁场的过程产生的热量相等,所以线圈从cd边进入磁场到ab边离开磁场的过程,产生的热量Q′=2mgd,感应电流做的功为2mgd.故A错误,B正确.
C、线框可能先做减速运动,在完全进入磁场前已做匀速运动,刚完全进入磁场时的速度最小,则 mg=BIL=BL,则最小速度 v=
.故C错误.
D、因为进磁场时要减速,线圈全部进入磁场后做匀加速运动,则知线圈刚全部进入磁场的瞬间速度最小.设线圈的最小速度为vm.
线圈从开始下落到线圈刚完全进入磁场的过程,根据能量守恒定律得:mg(h+L)=Q+
由上可知,Q=mgd
解得线圈的最小速度为:vm=.故D正确.
故选:BD.
如图,MN和PQ是电阻不计的平行金属导轨,其间距为L,导轨弯曲部分光滑,平直部分粗糙,右端接一个阻值为R的定值电阻.平直部分导轨左边区域有宽度为d、方向竖直向上、磁感应强度大小为B的匀强磁场.质量为m、电阻也为R的金属棒从高为h处静止释放,到达磁场右边界处恰好停止.已知金属棒与平直部分导轨间的动摩擦因数为u,金属棒与导轨间接触良好.则金属棒穿过磁场区域的过程中( )
正确答案
解析
解:A、金属棒下滑过程中,机械能守恒,由机械能守恒定律得:mgh=mv2,金属棒到达水平面时的速度v=
,金属棒到达水平面后做减速运动,刚到达水平面时的速度最大,最大感应电动势E=BLv,最大感应电流I=
=
,故A错误;
B、感应电荷量q=△t=
△t=
•△t=
=
=
,故B错误;
C、金属棒在整个运动过程中,由动能定理得:mgh-WB-μmgd=0-0,克服安培力做功:WB=mgh-μmgd,故C错误;
D、克服安培力做功转化为焦耳热,电阻与导体棒电阻相等,通过它们的电流相等,则金属棒产生的焦耳热
QR=Q=
WB=
mg(h-μd),故D正确;
故选:D.
如图所示,竖直平面内有两根相距为L电阻不计的光滑平行金属杆轨道,轨道与水平放置的平行金属板相连,极板距离为d,轨道间有垂直轨道平面向里磁感应强度为B的匀强磁场,一电阻为R与轨道接触良好的金属杆在轨道上匀速滑动时,极板间一电量为q质量为m的带正电粒子恰好静止,则杆的运动方向为______,速度大小为______.
正确答案
向左
解析
解:据题,带正电粒子恰好静止在平行金属板间,说明所受的电场力与重力平衡,电场力方向竖直向上.粒子带正电,说明场强方向也竖直向上,电容器下板带正电,电势较高,则知金属杆下端相当于电源的正极,根据右手定则判断可知,杆的运动方向向左.
对于带电粒子,由平衡条件得:
mg=qE
又E==
联立解得:v=.
故答案为:向左,.
如图甲所示,MN左侧有一垂直纸面向里的匀强磁场.现将一边长为l、质量为m、电阻为R的正方形金属线框置于该磁场中,使线框平面与磁场方向垂直,且bc边与磁场边界MN重合.当t=0时,对线框施加一水平拉力F,使线框由静止开始向右做匀加速直线运动;当t=t0时,线框的ad边与磁场边界MN重合.图乙为拉力F随时间t变化的图线.由以上条件可知,磁场的磁感应强度B的大小及t0时刻线框的速率v为( )
正确答案
解析
解:t=0时刻,感应电动势E=0,感应电流I=0,安培力F安=BIl=0,
由牛顿第二定律得,F0=ma,a=,v=at0=
根据牛顿第二定律得,F-F安=ma,又F安=BIl,I=,E=Blv,
得到 F=
t=t0时该,由图读出图线的斜率K==
=
解得B=
故BC
如图甲所示,光滑且足够长的平行金属导轨MN、PQ固定在同一水平面上,两导轨间距L=0.30m.导轨电阻忽略不计,其间连接有固定电阻R=0.40Ω.导轨上停放一质量m=0.10kg、电阻r=0.20Ω的金属杆ab,整个装置处于磁感应强度B=0.50T的匀强磁场中,磁场方向竖直向下.用一外力F沿水平方向拉金属杆ab,使之由静止开始运动,电压传感器可将R两端的电压U即时采集并输入电脑,获得电压U随时间t变化的关系如图乙所示.
(1)试证明金属杆做匀加速直线运动,并计算加速度的大小;
(2)求第2s末外力F的瞬时功率;
(3)如果水平外力从静止开始拉动杆2s所做的功W=0.35J,求金属杆上产生的焦耳热.
正确答案
解:(1)由图乙可得 U=kt,k=0.10V/s.
设路端电压为U,金属杆的运动速度为v,则感应电动势E=BLv,
通过电阻R的电流
电阻R两端的电压 U=
解得
因为速度与时间成正比,所以金属杆做匀加速运动,加速度为 .
(2)在2s末,速度v2=at=2.0m/s,电动势E=BLv2,
通过金属杆的电流为
金属杆受安培力
解得:F安=7.5×10-2N
设2s末外力大小为F2,由牛顿第二定律,F2-F安=ma,
解得:F2=1.75×10-2N
故2s末时F的瞬时功率 P=F2v2=0.35W
(3)设回路产生的焦耳热为Q,由能量守恒定律,W=Q+ 解得:Q=0.15J
电阻R与金属杆的电阻r串联,产生焦耳热与电阻成正比 所以,=
,
运用合比定理得,=
,而QR+Qr=Q
故在金属杆上产生的焦耳热
解得:Qr=5.0×10-2J
答:
(1)证明见上.金属杆做匀加速直线运动的加速度大小为1m/s2;
(2)第2s末外力F的瞬时功率为0.35W;
(3)金属杆上产生的焦耳热为5.0×10-2J.
解析
解:(1)由图乙可得 U=kt,k=0.10V/s.
设路端电压为U,金属杆的运动速度为v,则感应电动势E=BLv,
通过电阻R的电流
电阻R两端的电压 U=
解得
因为速度与时间成正比,所以金属杆做匀加速运动,加速度为 .
(2)在2s末,速度v2=at=2.0m/s,电动势E=BLv2,
通过金属杆的电流为
金属杆受安培力
解得:F安=7.5×10-2N
设2s末外力大小为F2,由牛顿第二定律,F2-F安=ma,
解得:F2=1.75×10-2N
故2s末时F的瞬时功率 P=F2v2=0.35W
(3)设回路产生的焦耳热为Q,由能量守恒定律,W=Q+ 解得:Q=0.15J
电阻R与金属杆的电阻r串联,产生焦耳热与电阻成正比 所以,=
,
运用合比定理得,=
,而QR+Qr=Q
故在金属杆上产生的焦耳热
解得:Qr=5.0×10-2J
答:
(1)证明见上.金属杆做匀加速直线运动的加速度大小为1m/s2;
(2)第2s末外力F的瞬时功率为0.35W;
(3)金属杆上产生的焦耳热为5.0×10-2J.
如图所示,垂直纸面向里的磁感应强度为B的有界方形匀强磁场区域,有一个由均匀导线制成的单匝矩形线框abcd,线框以恒定的速度v沿垂直磁场边界方向运动,运动中线框dc边始终与磁场右边界平行,线框边长ad=l,cd=2l,线框导线的总电阻为R,则线框离开磁场的过程中流过线框截面的电量为______,线框产生的热量可能为______.
正确答案
或
解析
解:线框离开磁场的过程中流过线框截面的电量为:q=t=
=
=
=
若线框向左或向右离开磁场,则线框产生的热量为:Q1==
=
若线框向上或向下离开磁场,则线框产生的热量为:Q2==
=
.
故答案为:,
或
.
如图所示,一对平行光滑的金属轨道放置在水平面上,两轨道相距l=1m,两轨道之间用R=3Ω的电阻连接,一质量m=0.5kg、电阻r=1Ω的导体杆垂直且静止放在轨道上,轨道的电阻可忽略不计,整个装置处于磁感应强度B=2T的匀强磁场中,磁场方向垂直轨道平面向上,现用水平拉力沿轨道平面方向拉导体杆,拉力F与导体杆运动的位移S间的关系为F=F0+kS,其中F0=6N,k=1N/m,当导体杆运动速度v=8m/s时,拉力达到最大并保持不变,此后杆做匀速运动,当位移S=2.5m时撤去拉力,导体杆又滑行一段距离后停下,求:
(1)拉力的最大值Fm;
(2)导体杆开始运动到速度刚达v=8m/s的过程中,通过电阻R的电量q;
(3)拉力F作用过程中,电阻R上产生的焦耳热.
正确答案
解:(1)拉力最大时,有Fm=F安,
而F安=BIL
I=
解得 Fm==8N
(2)由F=F0+kS可知,当速度为v时,F=8N,故S=2m
则通过电阻R的电量q=,△Φ=BSl
解得 q=1C
(3)在前2m过程中拉力做功为 W1=
可得 W1=14J
在后0.5m过程中拉力做功为 W2=FmS2,得W2=4J
拉力做的总功为 WF=W1+W2=18J
根据动能定理得
WF-W安=-0
则回路产生的总焦耳热 Q=W安=WF-=18J-16J=2J
电阻R上产生的焦耳热 Q′=Q=1.5J
答:
(1)拉力的最大值Fm是8N.
(2)导体杆开始运动到速度刚达v=8m/s的过程中,通过电阻R的电量q是1C;
(3)拉力F作用过程中,电阻R上产生的焦耳热是1.5J.
解析
解:(1)拉力最大时,有Fm=F安,
而F安=BIL
I=
解得 Fm==8N
(2)由F=F0+kS可知,当速度为v时,F=8N,故S=2m
则通过电阻R的电量q=,△Φ=BSl
解得 q=1C
(3)在前2m过程中拉力做功为 W1=
可得 W1=14J
在后0.5m过程中拉力做功为 W2=FmS2,得W2=4J
拉力做的总功为 WF=W1+W2=18J
根据动能定理得
WF-W安=-0
则回路产生的总焦耳热 Q=W安=WF-=18J-16J=2J
电阻R上产生的焦耳热 Q′=Q=1.5J
答:
(1)拉力的最大值Fm是8N.
(2)导体杆开始运动到速度刚达v=8m/s的过程中,通过电阻R的电量q是1C;
(3)拉力F作用过程中,电阻R上产生的焦耳热是1.5J.
如图所示,足够长的平行金属导轨MN,PQ倾斜放置,完全相同的两金属棒ab,cd分别垂直导轨放置,棒两端都与导轨始终有良好接触,已知两棒的电阻均为R,导轨间距为l且光滑,电阻不计,整个装置处在方向垂直于导轨平面向上,磁感应强度大小为B的匀强磁场中,棒ab在平行于导轨向上的力F作用下,沿导轨向上运动,从某时刻开始计时,两棒的速度时间图象如图乙所示,两图线平行,v0已知,则从计时开始( )
正确答案
解析
解:A、由右手定则可判定,ab产生的感应电流由a到b,由ab和cd组成闭合回路,故cd的电流由d到c,故A正确;
B、两棒均做匀加速运动,有图象可知,加速度a相同,则:vab=v0+at,vcd=at,有法拉第电磁感应定律得:,
根据欧姆定律得:=
,故B错误;
C、两棒均做匀加速运动,对ab受力分析得:,对cd受力分析得:
,两式联立解得力为:F=
,故C正确;
D、根据能量守恒定律知,力F做的功等于回路中产生的焦耳热和两棒动能的增量及两棒势能增量,故D错误;
故选:AC
如图所示,固定在水平面上的光滑平行金属导轨,间距为L,右端接有阻值为R的电阻,空间存在方向竖直、磁感应强度为B的匀强磁场.质量为m、电阻也为R的导体棒ab与固定弹簧相连,放在导轨上.初始时刻,弹簧恰处于自然长度.给导体棒水平向右的初速度v0,导体棒开始沿导轨往返运动,整个过程导体棒始终与导轨垂直并保持良好接触.不计导轨电阻,下列说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:A、导体棒开始运动的初始时刻,由右手定则判断可知:ab中产生的感应电流方向从a→b,由左手定则判断得知ab棒受到的安培力向左,故A正确.
B、导体棒开始运动的初始时刻,ab棒产生的感应电势为E=BLv0.由于r=R,所以导体棒两端的电压U=E=
BLv0.故B错误.
C、由于导体棒运动过程中产生电能,所以导体棒开始运动后速度第一次为零时,根据能量守恒定律得知:系统的弹性势能小于mv02,故C错误.
D、金属棒最终会停在初始位置,在金属棒整个运动过程中,电阻R上产生的焦耳热 Q=•
mv02=
mv02,故D错误.
故选:A.
如图所示,abcd为固定的水平光滑矩形金属导轨,导轨间距为L,左右两端接有定值电阻R1和R2,R1=R2=R,整个装置处于竖直向下、磁感应强度大小为B的匀强磁场中.质量为m、长度为L的导体棒MN放在导轨上,棒始终与导轨垂直且接触良好,不计导轨与棒的电阻.两根相同的轻质弹簧甲和乙一端固定,另一端同时与棒的中点连接.初始时刻,两根弹簧恰好处于原长状态,棒获得水平向左的初速度v0,第一次运动至最右端的过程中R1产生的电热为Q,下列说法中正确的是( )
正确答案
解析
解:A、由F=BIL及I==
,得安培力大小为FA=BIL=
.故A正确;
B、由于安培力始终对MN做负功,产生焦耳热,由动能定理得:当棒再次回到初始位置时,速度小于v0,棒产生的感应电动势小于BLv0,则AB间电阻R的功率小于,故B错误;
C、由能量守恒得知,当棒第一次达到最右端时,物体的机械能全部转化为整个回路中的焦耳热和甲乙弹簧的弹性势能,两个电阻相同并联,故产生的热量相同,则电路中产生总热量为2Q,所以两根弹簧具有的弹性势能为,故C正确;
D、由于安培力始终对MN做负功,产生焦耳热,第一次运动至最右端的过程中R1产生的电热为Q,电路中产生总热量为2Q,第一次运动至最右端的过程中,可分为到达左端,回到平衡位置,再到最右端三个过程,棒第一次达到最左端的过程中,棒平均速度最大,安培力平均值最大,整个回路中产生的焦耳热应大于=
Q,故D正确;
故选:ACD
如图所示,空间存在一有边界的条形匀强磁场区域,磁场方向与竖直平面(纸面)垂直,磁场边界的间距为L.一个质量为m、边长也为L的正方形导线框沿竖直方向运动,线框所在平面始终与磁场方向垂直,且线框上、下边始终与磁场的边界平行.t=0时刻导线框的上边恰好与磁场的下边界重合(图中位置I),导线框的速度为v0.经历一段时间后,当导线框的下边恰好与磁场的上边界重合时(图中位置II),导线框的速度刚好为零.此后,导线框下落,经过一段时间回到初始位置I.则( )
正确答案
解析
解:A、上升过程中,线框所受的重力和安培力都向下,线框做减速运动.设加速度大小为a,根据牛顿第二定律得:mg+=ma,可见,线框速度减小时,加速度也减小.故A减小.
B、下降过程中,线框做加速运动,则有mg-=ma,可见,随着速度的增大,加速度减小.故B错误.
C、由于电磁感应,线框中产生电能,根据能量守恒定律可知,线框返回原位置时速率减小,则上升过程动能的变化量大小大于下降过程动能的变化量大小,根据动能定理得知,上升过程中合力做功较大.故C错误.
D、根据能量守恒定律可知,线框经过同一位置时:上升的速率大于下降的速率,上升过程的安培力大小较大,而位移大小相等,所以上升过程中比下降过程中克服安培力做的功多.故D正确.
故选D
如图所示,一个边长为a、电阻为R的等边三角形线框,在外力作用下,以速度v匀速穿过宽均为a的两个匀强磁场.这两个磁场的磁感应强度大小均为B,方向相反.线框运动方向与底边平行且与磁场边缘垂直.取逆时针方向的电流为正.若从图示位置开始,线框中产生的感应电流I与沿运动方向的时间t之间的函数图象,下面四个图中正确的是( )
正确答案
解析
解:线框从开始进入到全部进入第一个磁场时,磁通量向里增大,则由楞次定律可知,电流方向为逆时针,故C一定错误;
因切割的有效长度均匀增大,故由E=BLV可知,
0-时间内,切割的有效长度均匀增大,电动势也均匀增加,感应电流均匀增加,
-
时间内,切割的有效长度均匀减小,电动势也均匀减小,感应电流均匀减小,故D错误.
-
时间内,垂直向外的磁通量增多,向内的减少,由楞次定律可知,电流方向为顺时针,
由于分处两磁场的线圈两部分产生的电流相同,且有效长度是均匀变大的,所以在时刻感应电动势是
时刻的两倍,故A错误,B正确.
故选B.
如图,固定在水平桌面上的“∠”型平行导轨足够长,间距L=1m,电阻不计.倾斜导轨的倾角θ=53°,并与R=2Ω的定值电阻相连.整个导轨置于磁感应强度B=5T、方向垂直倾斜导轨平面向上的匀强磁场中.金属棒ab、cd的阻值为R1=R2=2Ω,cd棒质量m=1kg.ab与导轨间摩擦不计,cd与导轨间的动摩擦因数μ=0.3,设最大静摩擦力等于滑动摩擦力.现让ab棒从导轨上某处由静止释放,当它滑至某一位置时,cd棒恰好开始滑动.
(1)求此时通过ab棒的电流;
(2)求导体棒cd消耗的热功率与ab棒克服安培力做功的功率之比;
(3)若ab棒无论从多高的位置释放,cd棒都不动,则ab棒质量应小于多少?
(4)假如cd棒与导轨间的动摩擦因数可以改变,则当动摩擦因数满足什么条件时,无论ab棒质量多大、从多高位置释放,cd棒始终不动?
正确答案
解:(1)ab棒沿斜面滑下切割磁感线产生的感应电流的方向是b→a,通过cd棒的电流方向如图c→d.cd棒刚要开始滑动时,其受力分析如图所示.
由平衡条件得:BILcdcos53°=f
由摩擦力公式得:f=μN,N=mg+BILcdsin53°
联立以上三式,得:Icd=1.67A,Iab=2Icd=3.34A
(2)根据题意画出等效电路如图所示:
设Icd=I,因为电阻R与cd棒并联,故电阻R上产生的热功率与cd棒产生的热功率相等,即:
又因为流经ab棒的电流为2I,故ab棒产生的热功率为:
整个回路产生的热功率为:P=6I2R
又因为回路中消耗的热功率源于ab棒克服安培力做功,所以导体棒cd消耗的热功率与ab棒克服安培力做功的功率之比为:
=
(3)ab棒在足够长的轨道下滑时,最大安培力只能等于自身重力的分力,有:FA=mgabsin53°
cd棒所受最大安培力应为,要使cd棒不能滑动,需:
≤μ(mg+
)
由以上两式联立解得:mab≤2.08kg
(4)ab棒下滑时,cd棒始终静止,有:FAcos53°≤μ(mg+FAsin53°)
解得:μ≥=
当ab棒质量无限大,在无限长轨道上最终一定匀速运动,安培力FA趋于无穷大,cd棒所受安培力FAˊ亦趋于无穷大,有:μ≥=0.75
答:(1)此时通过ab棒的电流为3.34A;
(2)导体棒cd消耗的热功率与ab棒克服安培力做功的功率之比为1:6;
(3)若ab棒无论从多高的位置释放,cd棒都不动,则ab棒质量应小于2.08kg.
(4)假如cd棒与导轨间的动摩擦因数可以改变,则当动摩擦因数满足μ≥0.75的条件时,无论ab棒质量多大、从多高位置释放,cd棒始终不动.
解析
解:(1)ab棒沿斜面滑下切割磁感线产生的感应电流的方向是b→a,通过cd棒的电流方向如图c→d.cd棒刚要开始滑动时,其受力分析如图所示.
由平衡条件得:BILcdcos53°=f
由摩擦力公式得:f=μN,N=mg+BILcdsin53°
联立以上三式,得:Icd=1.67A,Iab=2Icd=3.34A
(2)根据题意画出等效电路如图所示:
设Icd=I,因为电阻R与cd棒并联,故电阻R上产生的热功率与cd棒产生的热功率相等,即:
又因为流经ab棒的电流为2I,故ab棒产生的热功率为:
整个回路产生的热功率为:P=6I2R
又因为回路中消耗的热功率源于ab棒克服安培力做功,所以导体棒cd消耗的热功率与ab棒克服安培力做功的功率之比为:
=
(3)ab棒在足够长的轨道下滑时,最大安培力只能等于自身重力的分力,有:FA=mgabsin53°
cd棒所受最大安培力应为,要使cd棒不能滑动,需:
≤μ(mg+
)
由以上两式联立解得:mab≤2.08kg
(4)ab棒下滑时,cd棒始终静止,有:FAcos53°≤μ(mg+FAsin53°)
解得:μ≥=
当ab棒质量无限大,在无限长轨道上最终一定匀速运动,安培力FA趋于无穷大,cd棒所受安培力FAˊ亦趋于无穷大,有:μ≥=0.75
答:(1)此时通过ab棒的电流为3.34A;
(2)导体棒cd消耗的热功率与ab棒克服安培力做功的功率之比为1:6;
(3)若ab棒无论从多高的位置释放,cd棒都不动,则ab棒质量应小于2.08kg.
(4)假如cd棒与导轨间的动摩擦因数可以改变,则当动摩擦因数满足μ≥0.75的条件时,无论ab棒质量多大、从多高位置释放,cd棒始终不动.
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