- 电磁感应
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(2011年厦门一中月考)如图10-1-14所示,匀强磁场的磁感应强度B=0.5 T,边长为L=10 cm的正方形线圈abcd共100匝,线圈电阻r=1 Ω,线圈绕垂直于磁感线的对称轴OO′匀速转动,角速度为ω=2π rad/s,外电路电阻R=4 Ω,求:
图10-1-14
(1)转动过程中感应电动势的最大值;
(2)由图示位置(线圈平面与磁感线平行)转过60°角时的瞬时感应电动势;
(3)由图示位置转过60°角的过程中产生的平均感应电动势;
(4)交流电压表的示数;
(5)转动一周外力做的功;
(6) 周期内通过R的电荷量为多少?
正确答案
(1)3.14 V (2)1.57 V (3)2.6 V (4)1.78 V (5)0.99 J (6)0.0866 C
(1)感应电动势的最大值:Em=nBSω=3.14 V.
(2)转过60 °角时的瞬时感应电动势:
e=Emcos60°=3.14×0.5 V=1.57 V.
(3)转过60°角的过程中产生的平均感应电动势:
=
=2.6 V.
(4)电压表示数为外电压的有效值:
U=Em·
=1.78 V.
(5)转动一周外力做的功等于电流产生的热量:
W=Q=()2·
=0.99 J.
(6) 周期内通过R的电荷量:
q=·
=
·
=
·
==0.0866 C.
答案:(1)3.14 V (2)1.57 V (3)2.6 V (4)1.78 V
(5)0.99 J (6)0.0866 C
在下图中,降压变压器的变压系数是3,即初级线圈匝数与次级线圈的匝数之比是3∶1.初级线圈的输入电压是660 V,次级线圈的电阻为0.2 Ω,这台变压器供给100盏(220 V,60 W)的电灯用电.求:
(1)空载时次级线圈的端电压和输出功率.
(2)接通时次级线圈的端电压.
(3)每盏灯的实际功率.
正确答案
(1) =0. (2) 214.68 V(3) 57.1 W(
(1)将变压器视为理想变压器.设空载时次级线圈的端电压为U2.
由,得U2=
U1=220 V(2分)
因为空载,次级线圈的负载电阻→∞,次级线圈中的电流为零I2=0,P=I2U2=0. (1分)
(2)接通电路后,100盏灯并联的总电阻为
R外==
=8.07 Ω(1分)
次级线圈中的电流为
I2==
=26.6 A(1分)
所以次级线圈的端电压 U2′=I2R外=214.68 V(1分)
(3)每盏灯的实际功率为P=U2′=57.1 W(1分)
本题考查交流电的产生,交流电图像以及变压器知识,根据公式,可求出副线圈中的电压,因为空载时没有电流,所以副线圈中的电功率为零,因为电线存在电阻,所以变压器的输出电压和电路的端电压是不同的,可根据欧姆定律知识解答,
如图所示,一个面积s=0.2m2的单匝圆形线圈,M、N两端间距很小可以忽略,线圈处于变化的磁场中,磁场的磁感应强度按B=T的规律变化。线圈中产生的感应电动势的瞬时值表达式为e=BmS
cos(
t),其中Bm为磁感应强度的最大值,
为磁场变化的角速度,线圈的电阻r=2
,外接电阻R=18
.(电压表为理想交流电压表)求:
(1).当时电压表的示数。
(2).变化的电流一个周期在电阻R上产生的热量Q。
(3).从t=0开始到这段时间通过圆形线圈的电量q.
正确答案
(1)45V;(2)4.5J;(3)
试题分析: (1)由图象知,线圈中产生的交变电流
Em=BmSω=100 V. (2分)
有效值 =
=50
V (2分)
电压表的示数U==45
V (2分)
(2) 交变电流的周期T= (2分)
一个周期在电阻R上产生的热量Q= (4分)
(3)在0~时间内,电动势的平均值
=
①, (2分)
平均电流 ② (1分)
流过灯泡的电荷量q= Δt. ③ (2分)
得q= (1分)
(10分)如图所示为交流发电机示意图,匝数为匝的矩形线圈,边长分别为l0cm和20cm,内阻为5
,在磁感强度B=0.5T的匀强磁场中绕
轴以
的角速度匀速转动,线圈和外部20
电阻R相接,求:
(1)S断开时,电压表示数;
(2)S闭合时,电流表示数;
(3)发电机正常工作时,通过电阻R的电流最大值是多少?R上所消耗的电功率是多少?
(4)线圈从图示位置转过90°的过程中,通过电阻R的电量为多少?
正确答案
(1) (2)2A (3)80W(4)
(1)交流发电机产生电动势的最大值 (1分)
S断开时,电压表示数为电动势的有效值 (2分)
(2)S闭合时,电流表示数为干路电流的有效值2A (2分)
(3)电流的最大值A (1分)
电阻R上消耗的电功率W (1分)
(4)
解得:C (3分)
本题考查交变电流的产生和有效值平均值的概念,由公式E=nBSw求得电动势峰值,由峰值和有效值的关系求得电流有效值,通过导线的电量与平均值有关,根据法拉第电磁感应定律可求得电量表达式
如下图所示,匀强磁场磁感应强度B=0.5T,匝数为n=50匝的矩形线圈,绕垂直于匀强磁场的转轴OO′匀速转动,每匝线圈长为L=25cm,宽为d=20cm,线圈每分钟转动1500r,在匀速转动过程中,从线圈平面经过图示位置时开始计时。
小题1:写出交流感应电动势e的瞬时值表达式;
小题2:若每匝线圈本身电阻r=0.02Ω,外接一阻值为13Ω的用电器,使线圈与外电路组成闭合电路,写出交流感应电流i的瞬时值表达式;
小题3:若从线圈平面垂直于磁感线的位置开始计时,感应电动势e′和感应电流i′的瞬时表达式如何?
正确答案
小题1:e =196cos(50πt)V
小题2:i= 14cos(50πt)A
小题3:e′=196sin(50πt)V i′=14sin(50πt)A
(1)线圈匝数n=50,磁场的磁感应强度B=0.5T,线圈转动的角速度ω=2πf=2π×rad/s="50π" rad/s,
线圈的面积S=Ld=0.05m2(2分)
所以Em=nBSω=50×0.5×0.05×50πV=196V(1分)
从图示位置计时,有e=Emcosωt=196cos(50πt)V(1分)
(2)若r=0.02Ω,则r′=" 50r" = 0.02×50Ω=1.0Ω(1分)
R总=" R" + r′=" 13Ω" +1Ω=14Ω(1分)
Im=A="14" A(1分)
所以i=Im cosωt= 14cos(50πt)A(1分)
(3)若从线圈平面与磁感线垂直的位置开始计时,即从中性面开始计时,感应电动势和电流的瞬时值分别为 e′=196sin(50πt)V(1分),i′=14sin(50πt)A(1分)
如图10-1-22所示,一个被x轴与曲线方程所围的空间中存在着匀强磁场.磁场方向垂直纸面向里,磁感应强度B=0.2 T.正方形金属线框的边长是L=0.2 m,电阻是R=0.1 Ω,它的一边与x轴重合,在拉力F的作用下,以v=10 m/s 的速度水平向右匀速运动.试求:
图10-1-22
(1)拉力F的最大功率是多少?
(2)拉力F要做多少功才能把线框拉过磁场区?
(3)有位同学在老师的帮助下算出了曲线与x轴所围的面积为.请你再帮他算出线框右边框通过磁场区域的过程中通过线框某一截面的电荷量.(结果保留两位有效数字)
正确答案
(1)1.6 W (2)4.8×10-2 J
(3)7.6×10-2 C
(1)当线框的一条竖直边运动到x=0.15 m处时,线圈的感应电动势最大.
Em=BLv="0.2×0.2×10" V="0.4" V
根据欧姆定律可得最大电流为
所以拉力F的最大值为Fm=ImLB="0.16" N
拉力F最大功率为Pm=Fmv="0.16×10" W="1.6" W.
(2)把线框拉过磁场区域时,因为有效切割长度是按正弦规律变化的,所以,线框中的电流也是按正弦规律变化的(有一段时间线框中没有电流).
电动势的有效值是
通电时间为
拉力做功
(3)通过线框截面的电荷量而
所以
当磁场全部进入线框内部时,通过线框截面的电荷量最多,
边长为L、总电阻为R、匝数为n的正方形线框,垂直磁场放在磁感应强度为B的匀强磁场中,t=0时,线框绕OO′轴以周期T匀速转动,如图所示.求:
(1)线框转过30°的过程中,通过线框的电荷量;
(2)从t=0开始转过180°的过程中,通过线框的电荷量.
正确答案
(1)nBL2(2-)/2R (2)2nBL2/R
(1)线框平面转过30°的过程中磁通量的变化ΔΦ=BS-BS·cos30°=
该过程中的平均电动势及平均电流分别为
通过线框的电荷量为Q=·Δt=
=
.
(2)从t=0转过180°的过程中,线框中磁通量的变化为ΔΦ=2BL2,该过程中的平均电动势和平均电流分别为
通过线框的电荷量为.
如图所示,矩形线框匝数N=250匝,ab=12cm,ad=10cm,线框转动的角速度为8rad/s,磁感应强度B=2/
,外电路接有一个发光电压和熄灭电压都为24伏特的氖泡L,求:氖泡的发光频率多大?通电10min,氖泡发光的总时间是多少?(本题从中性面位置开始分析)
正确答案
频率为8赫兹,发光时间为400秒
略
如图所示,为一交流发电机和外接负载的示意图,发电机电枢线圈为n匝的矩形线圈,边长 = L1,
= L2,绕OO′轴在磁感强度为B的磁场中以角速度ω转动(不计一切摩擦),线圈电阻为r ,外电路负载电阻为R 。试求:
(1)电路中伏特表的示数;
(2)线圈每转动一周,外力所做的功。
正确答案
(1) (2)
:(1)电路中产生的感应电动势
有效值
电阻两端的电压
即为电路中伏特表的示数。
(2)由能量守恒可得,外力在一个周期内做的功就等于电的功:
如图所示,矩形线圈面积为S,匝数为N,线圈电阻为r,在磁感应强度为B的匀强磁场中绕OO′轴以角速度ω匀速转动,外电路电阻为R.当线圈由图示位置转过90°的过程中,求:
(1)通过电阻R的电荷量q.
(2)电阻R上产生的焦耳热Q.
正确答案
(1) (2)
试题分析:(1)依题意磁通量的变化量ΔΦ=BS,线圈转过90°的时间为,平均感应电动势为
;平均感应电流为
;通过电阻R的电荷量为
(2)线圈中感应电动势的有效值和最大值Em的关系是,电路中电流的有效值为
电阻R上产生的焦耳热为
点评:对于交变电流,求解热量、电功和电功率用有效值,而求解电量要用平均值.
如图线圈的面积是0.05 m2,共100匝,线圈电阻为r =" 1" Ω,外接电阻R =" 9" Ω,匀强磁场的磁感应强度B =T,当线圈以300 r/min的转速匀速旋转时,求:(此题最后结果可保留根号)
(1)若线圈从图示位置开始计时,写出线圈中感应电动势瞬时值表达式.
(2)电路中电压表和电流表的示数各是多少?
(3)由图示位置转过90°角的过程中,电阻R上产生的热量为多少?
(4)由图示位置转过180°角的过程中,流经电阻R上的电量为多少?
正确答案
(1)(2)
A,
V(3)
(4)
试题分析:1) rad/s
V
感应电动势瞬时表达式: V
2) V
A
V
3) J 4)
C
点评:本题涉及交流电压与交流电流的瞬时值、最大值、有效值和平均值;对于电表读数、求产生的热量均由交变电的有效值来确定,而涉及到耐压值时,则由最大值来确定.而通过某一电量时,则用平均值来求.
如图所示,N=50匝的矩形线圈abcd,边长ab=20 cm,ad=25 cm,放在磁感应强度B=0.4 T的匀强磁场中,外力使线圈绕垂直于磁感线且通过线圈中线的OO′轴以n=3000 r/min的转速匀速转动,线圈电阻r=1 Ω,外电路电阻R=9 Ω,t=0时,线圈平面与磁感线平行,ab边正转出纸外、cd边转入纸里.
(1)在图中标出t=0时感应电流的方向;
(2)写出线圈感应电动势的瞬时表达式;
(3)从图示位置转过90°过程中流过电阻R的电荷量是多大?
正确答案
(1) a→d→c→b→a(2) e=314cos100πt V. (3) 0.1 C.
试题分析:(1)根据ab、cd切割磁感线,由右手定则可得线圈中感应电流方向a→d→c→b→a. (2分)
(2)线圈的角速度
ω=2πn=100π rad/s. (2分)
设ab边在t=0时刻速度为vab,图示位置的感应电动势最大,其大小为
Em=2NB·vab=NB··ω=314 V (2分)
电动势的瞬时表达式为:e=314cos100πt V. (2分)
(3)q=IΔt.
从t=0起转过90°的过程中,Δt时间内流过R的电荷量
q=Δt=0.1 C. (4分)
点评:本题难度较小,对于交流电问题要掌握瞬时值、有效值、平均值和最大值的计算方法,求解电荷量问题时要用平均值
(15分)如图甲所示为一台小型发电机的示意图,单匝线圈逆时针转动。若从中性面开始计时,产生的电动势随时间的变化规律如图乙所示。已知发电机线圈内阻为1.0Ω,外接灯泡的电阻为9.0Ω。求:
(1)写出流经灯泡的瞬时电流的表达式;
(2)转动过程中穿过线圈的最大磁通量:
(3)线圈匀速转动一周的过程中,外力所做的功。
正确答案
(1)(2)2.7×10-2W(3)
⑴由图得 (2分)
则电流 (3分)
⑵Em=BSω (1分)
Em=6V (1分)
ω=100π (1分)
=2.7×10-2Wb (2分)
⑶ (2分)
(3分)
本题考查交流电的形成和有效值,由图像可直接读出电压的峰值和周期,求出角速度之后根据瞬时值表达式求解,根据峰值Em=NBSw,磁通量最大值等于BS可求得最大的磁通量,由有效值和峰值关系可求得有效电压,再由焦耳热公式求解
(8分)如图(a)所示是旋转电枢式交流发电机的示意图,电枢的电阻r=5Ω,灯泡电阻R=95Ω,图(b)所示是电枢匀速转动时产生正弦式电流的电动势随时时间变化的图象。
(1)线圈产生的电动势在什么位置为零?在什么位置最大?
(2)电动势的峰值、周期和频率各多少?
(3)写出电流的瞬时值的表达式?
(4)电压表和电流表的读数各是多少?
正确答案
(1)线圈平面与中性面重合位置电动势为零,与中性面垂直位置电动势最大。
(2)电动势峰值311V,周期0.02s,频率50HZ。
(3)i=3.11sin100πt A。
(4)209V 2.2A。
(1)线圈平面与中性面重合位置电动势为零,与中性面垂直位置电动势最大。
(2)电动势峰值311V,周期0.02s,频率50HZ。
(3)i=3.11sin100πt A。
(4)209V 2.2A。
本题考查交变电流的产生和瞬时值表达式、有效值的公式应用,在中性面时感应电动势最大,由图像直接读出峰值、周期
如图所示,单匝矩形闭合导线框abcd全部处于磁感应强度为B的水平匀强磁场中,线框面积为S,电阻为R。线框绕与cd边重合的竖直固定转轴以角速度ω匀速转动,线框中感应电流的有效值I=____________。 线框从中性面开始转过的过程中,通过导线横截面的电荷量q=____________。
正确答案
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