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- 2021-05-13 发布
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高三实验班电磁感应中的能量
1、两根相距为 L 的足够长的金属直角导轨如图所示放置,它们各有一边在同一水平面内,另一边垂
直于水平面.质量均为 m 的金属细杆 ab、cd 与导轨垂直接触形成闭合回路,杆与水平和竖直导轨之
间有相同的动摩擦因数μ,导轨电阻不计,回路总电阻为 2R,整个装置处于磁感应强度大小为 B、
方向竖直向上的匀强磁场中.当 ab 杆在平行于水平导轨的拉力作用下沿导轨向右匀速运动时,cd 杆
也正好以某一速度向下做匀速运动,设运动过程中金属细杆 ab、cd 与导
轨接触良好,重力加速度为 g,求:
(1)ab 杆匀速运动的速度 v1
(2)ab 杆所受拉力 F
(3)ab 杆以 v1 匀速运动时,cd 杆以 v2(v2 已知)匀速运动,则在 cd 杆
向下运动 h 过程中,整个回路中产生的焦耳热.
2、如图甲所示,一边长 L=2.5m、质量 m=0.5kg 的正方形金属线框,放在光滑绝缘的水平面上,整个
装置放在方向竖直向上、磁感应强度 B=0.8T 的匀强磁场中,它的一边与磁场的边界 MN 重合。在水
平力 F 作用下由静止开始向左运动,经过 5s 线框被拉出
磁场。测得金属线框中的电流随时间变化的图像如乙图
所示,在金属线框被拉出的过程中。
⑴求通过线框导线截面的电量及线框的电阻;
⑵写出水平力 F 随时间变化的表达式;
⑶已知在这 5s 内力 F 做功 1.92J,那么在此过程中,线
框产生的焦耳热是多少?
3.如图 11 所示,一质量 m=0.5 kg 的“日”字形匀质导线框“abdfeca”静止在倾角α=37°的粗糙
斜面上,线框各段长 ab=cd=ef=ac=bd=ce=df=L=0.5 m,ef 与斜面底边重合,线框与斜面
间的动摩擦因数μ=0.25,ab、cd、ef 三段的阻值相等且均为 R=0.4 Ω,其余部分电阻不计.斜
面所在空间存在一有界矩形匀强磁场区域 GIJH,其宽度 GI=HJ=L,长度 IJ>L,IJ∥ef,磁场
垂直斜面向上,磁感应强度 B=1 T.现用一大小 F=5 N、方向沿斜面向上且垂直于 ab 的恒力
作用在 ab 中点,使线框沿斜面向上运动,ab 进入磁场时线框恰好做匀速运动.若不计导线粗细,
重力加速度 g=10 m/s2,sin 37°=0.6,cos 37°=0.8.求:
图 11
(1)ab 进入磁场前线框运动的加速度 a 的大小;
(2)cd 在磁场中运动时,外力克服安培力做功的功率 P;
(3)线框从开始运动到 ef 恰好穿出磁场的过程中,线框中产生的焦
耳热与外力 F 做功的比值Q
W.
4.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。
⑴求初始时刻通过电阻 R 的电流 I 的大小和方向;
⑵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;
⑶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。
5.如图所示,在 xoy 平面内有一扇形金属框 abc,其半径为 r ,ac
边与 y 轴重合,bc 边与 x 轴重合,且c 为坐标原点,ac边与bc
边的电阻不计,圆弧 ab 上单位长度的电阻为 R 。金属杆 MN 长
度为 L,放在金属框abc上,MN 与 ac边紧邻。磁感应强度为 B
的匀强磁场与框架平面垂直并充满平面。现对 MN 杆施加一个
外力(图中未画出),使之以 C 点为轴顺时针匀速转动,角速
度为 。求:
(1)在 MN 杆运动过程中,通过杆的电流 I 与转过的角度 间的关系;
(2)整个电路消耗电功率的最小值是多少?
高三实验班电磁感应中的能量答案
1、解:(1)ab 杆向右运动时,ab 杆中产生的感应电动势方向为 a→b,
M
N
B
甲 乙
0
I/A
t/s1 2 3 64 5
0.2
0.4
0.6
大小为 1E BLv (1 分)
cd 杆中的感应电流方向为 d→c,cd 杆受到的安培力方向水平向右
安培力大小为
2 2
1 1
2 2
BLv B L vF BIL BL R R
安 ① (2 分)
cd 杆向下匀速运动,有 mg F 安 ② (2 分)
解①、②两式,ab 杆匀速运动的速度为 1v = 2 2
2Rmg
B L
③ (1 分)
(2)ab 杆所受拉力 F F mg 安
2 2
1
2
B L v
R
+μmg
21 mg
④ (3 分)
(3)设 cd 杆以 2v 速度向下运动 h 过程中,ab 杆匀速运动了 s 距离,
1 2
s h tv v
, ∴ 1
2
hvs v
(2 分)
整个回路中产生的焦耳热等于克服安培力所做的功
Q F s 安
2 2
1
2
B L v s
R
=
2 2
1
2
B L v
R
1
2
hv
v
=
2
2 2 2
2
2( )mg hR
v B L
(2 分)
2、⑴根据 q = I t,由 I-t 图象得:q =1.25C (2 分)
又根据 I =
RtR
E =
Rt
BL2
(2 分)
得 R = 4Ω (1 分)
⑵由电流图像可知,感应电流随时间变化的规律:I=0.1t (1 分)
由感应电流
R
vBLI ,可得金属框的速度随时间也是线性变化的, t.BL
RIv 20== (1 分)
线框做匀加速直线运动,加速度 a = 0.2m/s2 (1 分)
线框在外力 F 和安培力 FA 作用下做匀加速直线运动, maFF A=- (1 分)
得力 F=(0.2 t+0.1)N (1 分)
⑶ t=5s 时,线框从磁场中拉出时的速度 v5 = at =1m/s (1 分)
线框中产生的焦耳热 6712
1 2
5 .vmWQ -= J
3.解析 (1)ab 进入磁场前,线框做匀加速运动
摩擦力 Ff=μmgcos α
由牛顿第二定律有 F-mgsin α-Ff=ma
代入数据解得加速度 a=2 m/s2
(2)由于线框穿过磁场的过程中有且仅有一条边切割磁感线,等效电路也相同,所以线框一直做
匀速运动,设速度大小为 v
由力的平衡条件有 F=mgsin α+μmgcos α+F 安
代入数据解得 F 安=1 N
而 F 安=BIL=B2L2v
R 总
R 总=R+R
2
=0.6 Ω
解得 v=2.4 m/s
所以 P=F 安 v=2.4 W
(3)设 ab 进入磁场前线框发生的位移为 x
则 x=v2
2a
=1.44 m
则 Q=F 安·3L=1.5 J
W=F(x+3L)=14.7 J
Q
W
= 5
49