- 法拉第电磁感应定律
- 共387题
如图(甲)所示,一边长L=2.5m、质量m=0.5kg的单匝正方形金属线框,放在光滑绝缘的水平面上,垂直于水平面的方向上存在着以MN为边界、方向相反的匀强磁场,磁感应强度均为B=0.4T。正方形金属线框的一边ab与MN重合(位置Ⅰ),在力F作用下由静止开始向右平动,经过5s线框刚好被完全拉入另一磁场(位置Ⅱ)。测得金属线框中的电流随时间变化的图象如图(乙)所示,是一条过原点的直线。在金属线框由位置Ⅰ到位置Ⅱ的过程中,
(1)求线框磁通量的变化及感应电动势的平均值;
(2)写出水平力F随时间t变化的表达式;
(3)已知在这5s内力F做功1.5J,那么在此过程中,线框产生的焦耳热是多少?
正确答案
见解析。
解析
(1)△φ=△B·S=5Wb
=1V
(2)=4Ω
由电流图像可知,感应电流随时间变化的规律:I=0.1t
由感应电流可得金属框的速度随时间也是线性变化的,
,加速度a=0.2m/s2
线框在外力F和安培力FA作用下做匀加速直线运动,
F-2BIL =ma
得F=0.2t+0.1(N)
(3)t=5s时,线框从磁场中拉出时的速度v5=at=1m/s
线框中产生的焦耳热Q=W-=1.25J
知识点
如图所示,竖直平面内有无限长、不计电阻的两组平行光滑金属导轨,宽度均为L=0.5m,上方连接一个阻值R=1Ω的定值电阻,虚线下方的区域内存在磁感应强度B=2T的匀强磁场。完全相同的两根金属杆1和2靠在导轨上,金属杆与导轨等宽且与导轨接触良好,电阻均为r=0.5Ω。将金属杆1固定在磁场的上边缘(仍在此磁场内),金属杆2从磁场边界上方h0=0.8m处由静止释放,进入磁场后恰作匀速运动。
求:
(1)金属杆2的质量m为多大?
(2)若金属杆2从磁场边界上方h1=0.2m处由静止释放,进入磁场经过一段时间后开始匀速运动。在此过程中整个回路产生了1.4J的电热,则此过程中流过电阻R的电量q为多少?
(3)金属杆2仍然从离开磁场边界h1=0.2m处由静止释放,在金属杆2进入磁场的同时由静止释放金属杆1,两金属杆运动了一段时间后均达到稳定状态,试求两根金属杆各自的最大速度。(已知两个电动势分别为E1、E2不同的电源串联时,电路中总的电动势E=E1+E2。)
正确答案
见解析。
解析
(1)金属杆2进入磁场前做自由落体运动,
vm==4m/s
金属杆2进入磁场后受两个力平衡:mg=BIL,
且E=BLvm,
解出m==0.2kg
(2)金属杆2从下落到再次匀速运动的过程中,能量守恒(设金属杆2在磁场内下降h2):mg(h1+h2)=+Q
解出h2=1=……=1.3m
金属杆2进入磁场到匀速运动的过程中,,
,q=
解出q=c=0.65c
(3)金属杆2刚进入磁场时的速度v==2m/s
释放金属杆1后,两杆受力情况相同,且都向下加速运动,合力等于零时速度即最大。
mg=BIL,且, E1=BLv1,E2=BLv2
整理得到:v1+ v2=,代入数据得v1+ v2=4 m/s……………… ①
因为两个金属杆任何时刻受力情况相同,因此任何时刻两者的加速度也都相同,在相同时间内速度的增量也必相同,即:v1-0 =v2- v
代入数据得v2= v1+2……………… ②
②两式联立求出:v1=1m/s,v2=3m/s
知识点
(1)如图1所示,固定于水平面上的金属框架abcd,处在竖直向下的匀强磁场中。金属棒MN沿框架以速度v向右做匀速运动。框架的ab与dc平行,bc与ab、dc垂直。MN与bc的长度均为l,在运动过程中MN始终与bc平行,且与框架保持良好接触。磁场的磁感应强度为B。
a. 请根据法拉第电磁感应定律,推导金属棒MN中的感应电动势E;
b. 在上述情景中,金属棒MN相当于一个电源,这时的非静电力与棒中自由电子所受洛伦兹力有关。请根据电动势的定义,推导金属棒MN中的感应电动势E。
(2)为进一步研究导线做切割磁感线运动产生感应电动势的过程,现构建如下情景:
如图2所示,在垂直于纸面向里的匀强磁场中,一内壁光滑长为l的绝缘细管MN,沿纸面以速度v向右做匀速运动。在管的N端固定一个电量为q的带正电小球(可看做质点)。某时刻将小球释放,小球将会沿管运动。已知磁感应强度大小为B,小球的重力可忽略。在小球沿管从N运动到M的过程中,求小球所受各力分别对小球做的功。
正确答案
见解析。
解析
(1)a. 如图1所示,在一小段时间内,金属棒MN的位移
这个过程中线框的面积的变化量
穿过闭合电路的磁通量的变化量
根据法拉第电磁感应定律
解得
b. 如图2所示,棒向右运动时,电子具有向右的分速度,受到沿棒向下的洛伦兹力
,f即非静电力
在f的作用下,电子从M移动到N的过程中,非静电力做功
根据电动势定义 解得
(2)小球随管向右运动的同时还沿管向上运动,其速度如图3所示。小球所受洛伦兹力f合如图4所示。将f合正交分解如图5所示。
小球除受到洛伦兹力f合外,还受到管对它向右的支持力F,如图6所示。
洛伦兹力f合不做功
沿管方向,洛伦兹力f做正功
垂直管方向,洛伦兹力是变力,做负功
由于小球在水平方向做匀速运动,则
因此,管的支持力F对小球做正功
知识点
如图所示是测量通电螺线管内部磁感应强度的一种装置:把一个很小的测量线圈放在待测处(测量线圈平面与螺线管轴线垂直),将线圈与可以测量电荷量的冲击电流计G串联,当将双刀双掷开关K由位置1拨到位置2时,测得通过测量线圈的电荷量为q。已知测量线圈的匝数为N,截面积为S,测量线圈和G串联回路的总电阻为R。下列判断正确的是:
正确答案
解析
略
知识点
金属铜环用绝缘线悬挂,起初环有一半处于水平且与环面垂直的有界匀强磁场中如图所示。从某时刻开始,线拉力大小大于环重力且均匀减小,则导致此现象出现的原因可能是( )
正确答案
解析
略
知识点
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