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题型:简答题
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简答题 · 18 分

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

通电直导线在磁场中受到的力法拉第电磁感应定律电磁感应中的能量转化
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题型:简答题
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简答题 · 20 分

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

法拉第电磁感应定律
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题型:简答题
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简答题 · 20 分

(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如图4所示。将f正交分解如图5所示。 

小球除受到洛伦兹力f外,还受到管对它向右的支持力F,如图6所示。

洛伦兹力f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

法拉第电磁感应定律感生电动势、动生电动势
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题型: 多选题
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多选题 · 6 分

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:

A在此过程中,穿过测量线圈的磁通量的变化量

B在此过程中,穿过测量线圈的磁通量的变化量

C待测处的磁感应强度的大小为

D待测处的磁感应强度的大小为

正确答案

B,D

解析

知识点

法拉第电磁感应定律
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题型: 单选题
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单选题 · 3 分

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(      )

A磁感应强度均匀减小

B磁感应强度均匀增大

C磁感应强度的变化率均匀减小

D(俯视)铜环绕线在顺时针匀速转动

正确答案

A

解析

知识点

通电直导线在磁场中受到的力法拉第电磁感应定律
下一知识点 : 感生电动势、动生电动势
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