Question

【题目】如图所示为一交流发电机的原理示意图，装置中两磁极之间产生的磁场可近似为匀强磁场，发电机的矩形线圈abcd在磁场中，图中abcd分别为矩形线圈的四个顶点，其中的c点被磁铁遮挡而未画出。线圈可绕过bc边和ad边中点且垂直于磁场方向的水平轴OO′匀速转动。为了便于观察，图中发电机的线圈只画出了其中的1匝，用以说明线圈两端的连接情况。线圈的ab边连在金属滑环K上，cd边连在金属滑环L上；用导体做的两个电刷E、F分别压在两个滑环上，线圈在转动过程中可以通过滑环和电刷保持其两端与外电路的定值电阻R连接。已知矩形线圈ab边和cd边的长度L1＝50cm，bc边和ad边的长度L2＝20cm，匝数n＝100匝，线圈的总电阻r＝5.0Ω，线圈转动的角速度ω＝282rad/s，外电路的定值电阻R＝45Ω，匀强磁场的磁感应强度B＝0.05T。电流表和电压表均为理想电表，滑环与电刷之间的摩擦及空气阻力均可忽略不计，计算中取π＝3.14，＝1.41。

（1）求电阻R两端电压的最大值Um；

（2）求电压表的示数U；

（3）线圈转动1圈的过程中电阻R上产生的焦耳热QR（结果保留3位有效数字）；

（4）线圈转动1圈的过程中线圈上所产生的焦耳热Qr（结果保留3位有效数字）；

（5）讨论（3）、（4）中的结果与维持该线圈匀速转动1圈，外力所做的功W的关系（结果保留3位有效数字）；

（6）从线圈经过图示位置开始计时，写出线圈内的电流随时间变化的函数关系式；

（7）从线圈经过图示位置开始计时，写出ab边所受安培力大小随时间变化的函数关系式；

（8）从线圈经过图示位置开始计时，求线圈运动的1/4周期内，电流的平均值I平（结果保留2位有效数字）；

（9）从线圈经过图示位置开始计时，求线圈转过90°的过程中通过线圈导线某截面的电荷量q（结果保留1位有效数字）。

Answer 1

【答案】（1）（2）（3）（4）（5）外力所做的功全部转化为内能（6）（7）（8）（9）

【解析】

（1）根据法拉第电磁感应定律，当线框转动到图示位置时，线框的线速度与磁感线垂直，切割速度最大，此时对应电动势的最大值

所以

（2）

（3）由欧姆定律可知

所以

（4）线圈转动1圈的过程中线圈上所产生的焦耳热Qr

（5）

即。即外力所做的功全部转化为内能。

（6）根据法拉第电磁感应定律，电动势的瞬时值为

所以

（7）从线圈经过图示位置开始计时，ab边所受安培力大小随时间变化的函数关系式

（8）

所以

（9）线圈转过90°所需时间为1/4周期，所以