- 感应电动势
- 共4433题
如图所示,将一根绝缘硬金属导线弯曲成-个完整的正弦曲线形状,它通过两个小金属环a、b与长直金属杆导通,在外力F作用下,正弦形金属线可以在杆上无摩擦滑动.杆的电阻不计,导线电阻为R,a、b间距离为2L,导线组成的正弦图形顶部或底部到杆距离都是.在导线和杆平面内有一有界匀强磁场区域,磁场的宽度为L,磁感应强度为B.现在外力F作用下导线沿杆以恒定的速度v向右运动,在运动过程中导线和杆组成的平面始终与磁场垂直.t=0时刻导线从O点进入磁场,直到全部穿过磁场,外力F所做功为( )
正确答案
解析
解:金属导线在磁场中运动时,产生的电动势为:e=Bvy,y为导线切割磁力线的有效长度.
在导线运动的过程中,y随时间的变化为:
y==
=dsinωt,
=ω
则导线从开始向右运动到L的过程中(如图)有:=Bvdsinωt
则此过程中电动势的最大值为:E1max=Bvd
此过程中电动势的有效值为:
导线从L向右运动到2L的过程中(如图)有:=2Bvdsinωt
即:E2max=2Bvd
所以:
导线从2L向右运动到3L的过程与导线从开始向右运动L的过程相同(如图),则在这三段中运动的时间各为t,
在整个过程中产生的内能为:
Q==
=
因导线在拉力F的作用下匀速运动,所以拉力F所做的功全部转化为内能,即:W=Q=
故选:C
正方形闭合线圈置于匀强磁场中,线框平面与磁场方向垂直,线圈电阻不能忽略.用力将线框分别以速度v1、v2匀速拉出磁场,且v1>v2,在这两个过程中,通过导线横截面的电荷量q1:q2=______,线框中产生的焦耳热Q1:Q2=______,线框所受安培力大小F1:F2=______.
正确答案
1:1
v1:v2
v1:v2
解析
解:由法拉第电磁感应定律得
感应电动势 E=
由欧姆定律得I=
则通过导线的电荷量为q=I△t
得到q=,与线框移动速度无关,磁通量的变化量△Φ相同,所以通过导线横截面的电荷量q1:q2=1:1.
根据焦耳定律得
焦耳热Q=I2Rt==
=
,所以线框中产生的焦耳热Q1:Q2=v1:v2.
安培力F=BIL=,所以线框所受安培力大小F1:F2=v1:v2.
故答案为:1:1,v1:v2.v1:v2.
在光滑水平面上,有一个粗细均匀的单匝正方形闭合线框abcd,在水平外力的作用下,从静止开始沿垂直磁场边界方向做匀加速直线运动,穿过磁感应强度为B的匀强磁场,平行磁场区域的宽度大于线框边长,如图甲所示.测得线框中产生的感应电流i的大小和运动时间t的变化关系如图乙所示.已知图象中四段时间分别为△t1、△t2、△t3、△t4.求:
(1)比较△t1、△t3两段时间内水平外力的大小;
(2)若已知△t2:△t3:△t4=2:2:1,则线框边长与磁场宽度比值为多少?
(3)若bc边刚进入磁场时测得线框速度v,bc两点间电压U,求△t2时间内,线框中的平均感应电动势.
正确答案
解:(1)因为△t1、△t3两段时间无感应电流,即无安培力,则线框做匀加速直线运动的合外力为水平外力.所以△t1、△t3两段时间内水平外力的大小相等.
(2)设线框加速度a,bc边进入磁场时速度v,△t2=△t3=2△t4=2△t,线框边长l,磁场宽L
根据三段时间内线框位移,得:
解得:=
(3)bc间电压U,则感应电动势:
设线框边长l,则有:=Blv
△t1时间内,平均感应电动势:E=N=
联立得:E=
答:(1)△t1、△t3两段时间内水平外力的大小相等;
(2)若已知△t2:△t3:△t4=2:2:1,则线框边长与磁场宽度比值为=.
(3)△t2时间内,线框中的平均感应电动势为.
解析
解:(1)因为△t1、△t3两段时间无感应电流,即无安培力,则线框做匀加速直线运动的合外力为水平外力.所以△t1、△t3两段时间内水平外力的大小相等.
(2)设线框加速度a,bc边进入磁场时速度v,△t2=△t3=2△t4=2△t,线框边长l,磁场宽L
根据三段时间内线框位移,得:
解得:=
(3)bc间电压U,则感应电动势:
设线框边长l,则有:=Blv
△t1时间内,平均感应电动势:E=N=
联立得:E=
答:(1)△t1、△t3两段时间内水平外力的大小相等;
(2)若已知△t2:△t3:△t4=2:2:1,则线框边长与磁场宽度比值为=.
(3)△t2时间内,线框中的平均感应电动势为.
有一半径为r1,电阻为R,密度为ρ的均匀圆环落入磁感应强度B的径向磁场中,圆环截面的半径为r2(r2≪r1).如图所示,当圆环在加速下落到某一时刻时的速度为v,则此时圆环的加速度a=______,如果径向磁场足够长,则圆环的最大速度vm=______.
正确答案
g-
解析
解:A、圆环落入磁感应强度B的径向磁场中,垂直切割磁感线,则产生的感应电动势E=Blv=Bv•2πr1.
圆环的电阻为R,则圆环中感应电流为I=
圆环所受的安培力大小为F=BI•2πr1,
联立得 F=
根据牛顿第二定律得,圆环的加速度为a==g-
=g-
•
=g-
当圆环做匀速运动时,安培力与重力相等,速度最大,即有mg=F,则得
=mg=
g
解得,vm=
故答案为:g-,
如图甲所示,在竖直方向上有四条间距相等的水平虚线L1、L2、L3、L4,在L3与L4之间存在匀强磁场,磁感应强度大小均为1T,方向垂直于虚线所在平面向里.现有一矩形线圈abcd,宽度cd=L=0.5m,质量为0.1kg,电阻为2Ω,将其从图示位置静止释放(cd边与L1重合),速度随时间的变化关系如图乙所示,t1时刻cd边与L2重合,t2时刻ab边与L3重合,t3时刻ab边与L4重合,t2~t3之间图线为与t轴平行的直线,t1~t2之间和t3之后的图线均为倾斜直线,已知t1~t2的时间间隔为0.6s,整个运动过程中线圈平面始终处于竖直方向.(重力加速度g取10m/s2).则( )
正确答案
解析
解:B、根据平衡有:mg=BIL
而I=
联立两式解得:m/s.故B正确.
C、t1~t2的时间间隔内线圈一直做匀加速直线运动,知ab边刚进上边的磁场时,cd边也刚进下边的磁场.设磁场的宽度为d,则线圈的长度:
L′=2d
线圈下降的位移为:x=L′+d=3d,
则有:3d=vt-gt2,
将v=8m/s,t=0.6s,
代入解得:d=1m,
所以线圈的长度为L′=2d=2m.故C错误.
A、在0~t1时间内,cd边从L1运动到L2,通过线圈的电荷量为:C.故A错误.
D、0~t3时间内,根据能量守恒得:Q=mg(3d+2d)-mv2=
J.故D错误.
故选:B
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复运动,最终停在初始位置.在此过程中,导体棒始终与导轨垂直并保持良好接触.已知导体棒的电阻r与定值电阻R的阻值相等,不计导轨电阻,则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.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==
,故D正确.
故选:AD
如图所示,竖直平面被分为足够长的I、II两个区域,这两个区域有垂直于竖直平面向里的匀强磁场,磁感应强度均为B.I区固定有竖直放置的平行金属薄板K、K′,极板间距离为d.II区用绝缘装置竖直固定两根电阻可忽略的金属导轨,导轨间距离为l,且接有阻值为R的电阻,导轨与金属板用导线相连.电阻为r、长为l的导体棒与导轨接触良好,在外力作用下沿导轨匀速向上运动.一电荷量为q、质量为m的带负电的小球从靠近金属板K的A处射入I区,射入时速度在竖直平面内且与K板夹角为45°,在板间恰能做直线运动.(重力加速度为g)
(1)求导体棒运动的速度v1;
(2)若只撤去I区磁场,其它条件不变,要使小球刚好到达K′板上正对A的位置A′,极板间距离d应满足什么条件?
正确答案
解:(1)由题分析知小球在板间做匀速直线运动,受力分析如图所示.
有qE=mg
设竖直两板的电压为U.
根据法拉第电磁感应定律、欧姆定律有:
Blv1=(R+r)
另有U=Ed
解得 v1=
(2)撤去I区磁场,对小球进行受力分析,可知小球做类平抛运动.
设从A到A‘的时间为t,加速度为a.
在合外力方向上,有 =
初速度v2方向上,有 =v2t
根据上题得 F合=Bqv2=mg
由牛顿第二定律,有 F合=ma
解得 d=
答:
(1)导体棒运动的速度v1为.
(2)要使小球刚好到达K′板上正对A的位置A′,极板间距离d应满足的条件是d=.
解析
解:(1)由题分析知小球在板间做匀速直线运动,受力分析如图所示.
有qE=mg
设竖直两板的电压为U.
根据法拉第电磁感应定律、欧姆定律有:
Blv1=(R+r)
另有U=Ed
解得 v1=
(2)撤去I区磁场,对小球进行受力分析,可知小球做类平抛运动.
设从A到A‘的时间为t,加速度为a.
在合外力方向上,有 =
初速度v2方向上,有 =v2t
根据上题得 F合=Bqv2=mg
由牛顿第二定律,有 F合=ma
解得 d=
答:
(1)导体棒运动的速度v1为.
(2)要使小球刚好到达K′板上正对A的位置A′,极板间距离d应满足的条件是d=.
区域内存在着匀强磁场,磁场的上、下边界水平方向和竖直平面(纸面)垂直,两个由完全相同的导线制成的刚性线框a和b,其形状分别为周长为4l的正方形和周长为6l的矩形,线框a和b在竖直平面内从图示位置开始自由下落,若从开始下落到线框完全离开磁场的过程中,安培力与作用时间的乘积分别为la:lb,则la:lb为( )
正确答案
解析
解:线框从下落到进入磁场前做自由落体运动,
进入磁场时的速度v相等,线框的高度相同,线框的运动时间t相同
设长为l的导线电阻为r,感应电动势E=BLv,感应电流I=,
安培力:F=BIL=,I=Ft,
则:=
=
;
故选:A.
如图,EOF和E′O′F′为空间一匀强磁场的边界,其中EO∥E′O′,FO∥F′O′,且EO⊥OF;OO′为∠EOF的角平分线,OO′间的距离为L;磁场方向垂直于纸面向里.一边长为L的正方形导线框沿OO′方向匀速通过磁场,t=0时刻恰好位于图示位置.规定导线框中感应电流沿逆时针方向时为正,则感应电流i与时间t的关系图线可能正确的是( )
正确答案
解析
解:在整个正方形导线框通过磁场的过程中,
切割磁感线的边框为两竖直边框,两水平边框不切割磁感线.
由于正方形导线框沿OO′方向匀速通过磁场,
①从开始到左边框到达O′之前,进入磁场切割磁感线的有效长度随时间均匀增加,
根据E=BLv得出感应电动势随时间也均匀增加,
由于电阻不变,所以感应电流i也随时间均匀增加.
根据右手定则判断出感应电流的方向,结合导线框中感应电流沿逆时针方向时为正,得出开始为正方向.
②当左边框到达OO′之后,由于进入磁场切割磁感线的有效长度不变,所以感应电流i不变.
③当左边框到达OO′中点,右边框即将进入磁场切割磁感线,由于左边框的切割磁感线的有效长度在减小,而右边框切割磁感线有效长度在增大,而左右边框切割磁感线产生的感应电动势方向相反,所以整个感应电动势随时间也均匀减小.
④当左边框到达距O点时,左右边框切割磁感线的有效长度相等,此时感应电动势为0,再往后跟前面过程相反.故A、C、D错误,B正确.
故选B.
如图所示,一水平匀速运动的传送带,右侧通过小圆弧连接两根直光滑金属导轨,金属导轨与水平面成θ=30°角,传送带与导轨宽度均为L=1m.沿导轨方向距导轨顶端x1=0.7m到x2=2.4m之间存在垂直于导轨平面向上的匀强磁场区域abcd,ab、cd垂直于平行导轨,磁感应强度B=1T.将质量均为m=0.1kg的导体棒P、Q相隔△t=0.2s分别从传送带的左端自由释放,两导体棒与传送带间的动摩擦因数均为μ=0.1,两棒到达传送带右端时已与传送带共速.导体棒P、Q在导轨上运动时,始终与导轨垂直且接触良好,P棒进入磁场时刚好做匀速运动,Q棒穿出磁场时速度为
m/s.导体棒P、Q的电阻均为R=4Ω,导轨电阻不计,g取10m/s2.
(1)求传送带的运行速度v0.
(2)不需要求解过程,请定性画出导体棒P两端的电压Up随时间t的变化关系(从进入磁场开始计时).
(3)求从导体棒P、Q在传送带上自由释放开始到穿出磁场的过程中产生的总内能.
正确答案
解:(1)导体棒P进入磁场时做匀速运动,设切割磁感线的速度为v,则感应电动势E=BLv
感应电流 I=
导体棒受到的安培力F安=BLI=
由平衡条件可知 F安=mgsin θ
解得v=4 m/s
导体棒P脱离传送带时已与传送带共速,设传送带的速度为v0,导体棒P沿斜面下滑x1的过程中,由动能定理得
mgx1sin θ=-
解得 v0=3 m/s,即传送带的运行速度为3 m/s.
(2)导体棒P匀速进入磁场时,两端电压UP=IR=•R=
导体棒P、Q都进入磁场共同加速时,UP′=E=BLv
导体棒P出磁场后,只有导体棒Q切割磁场,做变减速运动,U″P=
电压随时间的定性变化图象如图.
(3)导体棒P、Q在传送带上加速过程中产生的内能为Q1=2μmgs相对=0.9 J
导体棒P匀速进入磁场过程中,有x3=vt
由功能关系得Q2=mgx3sin θ=0.4 J
导体棒P、Q共同在磁场中加速下滑过程中,
x4=x2-x1-x3=0.9 m
设导体棒P出磁场时速度为u,由运动学规律得
u2-v2=2ax4,解得 u=5 m/s
导体棒Q切割磁感线时下滑的距离为 x5=0.8 m
由功能关系得Q3=mgx3sin θ-+
=0.45 J
Q=Q1+Q2+Q3=1.75 J.
答:
(1)传送带的运行速度v0为3 m/s.
(2)画出导体棒P两端的电压Up随时间t的变化关系如图所示.
(3)从导体棒P、Q在传送带上自由释放开始到穿出磁场的过程中产生的总内能为1.75 J.
解析
解:(1)导体棒P进入磁场时做匀速运动,设切割磁感线的速度为v,则感应电动势E=BLv
感应电流 I=
导体棒受到的安培力F安=BLI=
由平衡条件可知 F安=mgsin θ
解得v=4 m/s
导体棒P脱离传送带时已与传送带共速,设传送带的速度为v0,导体棒P沿斜面下滑x1的过程中,由动能定理得
mgx1sin θ=-
解得 v0=3 m/s,即传送带的运行速度为3 m/s.
(2)导体棒P匀速进入磁场时,两端电压UP=IR=•R=
导体棒P、Q都进入磁场共同加速时,UP′=E=BLv
导体棒P出磁场后,只有导体棒Q切割磁场,做变减速运动,U″P=
电压随时间的定性变化图象如图.
(3)导体棒P、Q在传送带上加速过程中产生的内能为Q1=2μmgs相对=0.9 J
导体棒P匀速进入磁场过程中,有x3=vt
由功能关系得Q2=mgx3sin θ=0.4 J
导体棒P、Q共同在磁场中加速下滑过程中,
x4=x2-x1-x3=0.9 m
设导体棒P出磁场时速度为u,由运动学规律得
u2-v2=2ax4,解得 u=5 m/s
导体棒Q切割磁感线时下滑的距离为 x5=0.8 m
由功能关系得Q3=mgx3sin θ-+
=0.45 J
Q=Q1+Q2+Q3=1.75 J.
答:
(1)传送带的运行速度v0为3 m/s.
(2)画出导体棒P两端的电压Up随时间t的变化关系如图所示.
(3)从导体棒P、Q在传送带上自由释放开始到穿出磁场的过程中产生的总内能为1.75 J.
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