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简答题

如图所示,固定的光滑金属导轨间距为L,导轨电阻不计,上端a、b间接有阻值为R的电阻,导轨平面与水平面的夹角为θ,且处在磁感应强度大小为B、方向垂直于导轨平面向上的匀强磁场中.质量为m、电阻为r的导体棒与固定弹簧相连后放在导轨上.初始时刻,弹簧恰处于自然长度,导体棒具有沿轨道向上的初速度v0.整个运动过程中导体棒始终与导轨垂直并保持良好接触.已知弹簧的劲度系数为k,弹簧的中心轴线与导轨平行.

(1)求初始时刻通过电阻R的电流I的大小和方向;

(2)当导体棒第一次回到初始位置时,速度变为v,求此时导体棒的加速度大小a;

(3)导体棒最终静止时弹簧的弹性势能为Ep,求导体棒从开始运动直到停止的过程中,电阻R上产生的焦耳热Q.

正确答案

(1)棒产生的感应电动势E1=BLv0

通过R的电流大小I1==

根据右手定则判断得知:电流方向为b→a            

(2)棒产生的感应电动势为E2=BLv

感应电流I2==

棒受到的安培力大小F=BIL=,方向沿斜面向上,如图所示.

根据牛顿第二定律 有 mgsinθ-F=ma

解得 a=gsinθ-

(3)导体棒最终静止,有 mgsinθ=kx

弹簧的压缩量x=

设整个过程回路产生的焦耳热为Q0,根据能量守恒定律 有

   m+mgxsinθ=EP+Q0

解得 Q0=m+-EP

电阻R上产生的焦耳热Q=Q0=[m+-EP]

答:

(1)初始时刻通过电阻R的电流I的大小为,方向为b→a;

(2)此时导体棒的加速度大小a为gsinθ-

(3)导体棒从开始运动直到停止的过程中,电阻R上产生的焦耳热Q为[m+-EP].

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简答题

磁流体动力发电机的原理如图所示,一个水平放置的上下、前后封闭的横截面为矩形的塑料管,其宽度为l,高度为h,管内充满电阻率为ρ的某种导电流体(如水银).矩形塑料管的两端接有涡轮机,由涡轮机提供动力使流体通过管道时具有恒定的水平向右的流速v0.管道的前、后两个侧面上各有长为d的相互平行且正对的铜板M和N.实际流体的运动非常复杂,为简化起见作如下假设:①垂直流动方向横截面上各处流体的速度相同;②流体不可压缩;③当N、N之间有电流通过时,电流只从M、N之间正对的区域内通过.

(1)若在两个铜板M、N之间的区域加有竖直向上、磁感应强度为B的匀强磁场,则当流体以稳定的速度v0流过时,两铜板M、N之间将产生电势差.求此电势差的大小,并判断M、N两板哪个电势较高;

(2)用电阻可忽略不计的导线将铜板M、N外侧相连接(设电流只分布在M、N之间的长方体内),由于此时磁场对流体有力的作用,使流体的稳定速度变为v(v<v0),求磁场对流体的作用力;

(3)为使速度增加到原来的值v0,涡轮机提供动力的功率必须增加,假设流体在流动过程中所受的阻力与它的流速成正比,试导出新增加功率的表达式.

正确答案

(1)由法拉第电磁感应定律,两铜板间的电势差  E=Blv0

由右手定则可判断出M板的电势高

(2)用电阻可忽略不计的导线将铜板M、N外侧相连接,即铜板由外侧短路后,M、N两板间的电动势  E=Blv

短路电流  I=

  R

磁场对流体的作用力  F=BIl

解得:F=

方向与v方向相反(或水平向左)

(3)设流体在流动过程中所受的阻力与流速的比例系数为k,所以在外电路未短路时流体以稳定速度v0流过,此时流体所受的阻力(即涡轮机所提供的动力) F0=kv0

此时涡轮机提供的功率  P0=F0v0=kv02

外电路短路后,流体仍以稳定速度v0流过时,设此时磁场对流体的作用力为F,根据第(2)问的结果可知F=

此时涡轮机提供的动力 Ft=F0+F=kv0+

此时涡轮机提供的功率 Pt=Fv0=kv02+

所以新增加功率△P=Pt-P0=

答:

(1)电势差为Blv0,由右手定则可判断出M板的电势高.

(2)磁场对流体的作用力为

(3)增加功率的表达式为△P=

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单位时间内流过管道横截面的液体体积叫做液体的体积流量(以下简称流量).由一种利用电磁原理测量非磁性导电液体(如自来水、啤酒等)流量的装置,称为电磁流量计.它主要由将流量转换为电压信号的传感器和显示仪表两部分组成.

传感器的结构如图所示,圆筒形测量管内壁绝缘,其上装有一对电极a和c,a,c间的距离等于测量管内径D,测量管的轴线与a、c的连接放像以及通过电线圈产生的磁场方向三者相互垂直.当导电液体流过测量管时,在电极a、c的间出现感应电东势E,并通过与电极连接的仪表显示出液体流量Q.设磁场均匀恒定,磁感应强度为B.

(1)已知D=0.40m,B=205×10-3T,Q=0.123/s,设液体在测量管内各处流速相同,试求E的大小(π去3.0)

(2)一新建供水站安装了电磁流量计,在向外供水时流量本应显示为正值.但实际显示却为负值.经检查,原因是误将测量管接反了,既液体由测量管出水口流入,从如水口流出.因为已加压充满管道.不便再将测量管拆下重装,请你提出使显示仪表的流量指示变为正直的简便方法;

(3)显示仪表相当于传感器的负载电阻,其阻值记为R.a、c间导电液体的电阻r随液体电阻率色变化而变化,从而会影响显示仪表的示数.试以E、R.r为参量,给出电极a、c间输出电压U的表达式,并说明怎样可以降低液体电阻率变化对显示仪表示数的影响.

正确答案

(1)导电液体通过测量管时,相当于导线做切割磁感线的运动,在电极a、c 间切割感应线的液柱长度为D,设液体的流速为v,

         则产生的感应电动势为

                   E=BDv                               ①

         由流量的定义,有Q=Sv=v                   ②

         式联立解得  E=BD=

         代入数据得  E=V=1.0×10-3V

(2)能使仪表显示的流量变为正值的方法简便,合理即可,如:

    改变通电线圈中电流的方向,是将磁场B反向,或将传感器输出端对调接入显示仪表.

(3)传感器的显示仪表构成闭合电路,有闭合电路欧姆定律I=   U=IR==

    输入显示仪表测量的是a、c间的电压U,流量示数和U一一对应,E 与液体电阻率无关,而r随电阻率的变化而变化,由③式可看出,r变化相应的U也随之变化.在实际流量不变的情况下,仪表显示的流量示数会随a、c间的电压U的变化而变化,增大R,使R>>r,则U≈E,这样就可以降低液体电阻率的变化对显示仪表流量示数的影响.

答:(1)E的大小为1.0×10-3V.

    (2)使显示仪表的流量指示变为正直的简便方法将磁场B反向,或将传感器输出端对调接入显示仪表.

    (3)电极a、c间输出电压U的表达式为U=.增大R,使R>>r,U≈E,可以降低液体电阻率的变化对显示仪表流量示数的影响.

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如图所示,一宽40cm的匀强磁场区域,磁场方向垂直纸面向里.一边长为20cm的正方形导线框位于纸面内,以垂直于磁场边界的恒定速度v=20cm/s通过磁场区域,取它刚进入磁场的时刻t=0,设逆时针方向为正. 在下列图线中,正确反映感应电流随时间变化规律的是(  )

正确答案

线框开始进入到全部进入时,线框的右边切割磁感线,由右手定则可知,电流沿逆时针方向,在i-t图象为正;因速度保持不变,故电流大小不变,此段时间为t===1s;

当全部进入时,线框中磁通量不变,故没有感应电流,运动时间为1s;

当线框开始离开时,左边切割磁感线,由右手定则可知感应电流为顺时针,故电流为负值,且电流大小不变,切割时间也为1s;

故C正确;

故选C.

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在如图所示的电路中,R1 R2为 定值电阻,阻值均为4,ab为可动金属滑杆,与导轨接触良好,其阻值Rab也为4,长度L为0.5m,C为平行板电容器,整个电路固定在一个竖直平面内,在滑杆ab与R2之间有一水平方向的矩形磁场B,方向垂直电路平面向里,宽度d=20m,现固定滑杆不动,当磁场的磁感应强度按B=5-2t( T )规律变化时,电容C的两板间有一带电微粒恰好处于悬浮状态.若保持磁感应强度B=5T不变,欲使这颗带电微粒仍然处于悬浮状态,则滑杆ab应该以多大的速度在磁场B中匀速切割磁感线?

正确答案

磁场变化产生的感应电动势为:

E==  ①

由楞次定律可知电流流向如图a所示,所以R1与ab杆并联再与R2串联,所以R2两端的电压

U2=E   ②

要使电容C中带电微粒仍然处于悬浮状态,R2两端的电压U2′仍然等于U2,即U2′=U2,③

设滑杆ab的速度为v,由右手定则可知电路中电流流向如图b所示,ab杆为电源,R1、R2,并联,

R2两端的电压U2′=BLv   ④

由①②③④解得:v=16m/s.

答:滑杆ab应该以16m/s的速度在磁场B中匀速切割磁感线.

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