题目内容
3.某同学利用如图1装置研究磁铁下落过程中的重力势能与电能之间的相互转化.内阻r=40Ω的螺线管固定在铁架台上,线圈与电流传感器、电压传感器和滑动变阻器连接.滑动变阻器最大阻值40Ω,初始时滑片位于正中间20Ω的位置.打开传感器,将质量为m的磁铁置于螺线管正上方静止释放,磁铁上表面为N极.穿过螺线管后掉落到海绵垫上并静止(磁铁下落中受到的电磁阻力远小于磁铁重力,不发生转动),释放点到海绵垫高度差为h.计算机屏幕上显示出如图2的UI-t曲线.(1)磁铁穿过螺线管过程中,产生第一峰值时线圈中的感应电动势约0.9V.
(2)图象中UI出现前后两个峰值,对比实验过程发现,这两个峰值是在磁铁刚进入螺线管内部和刚从内部出来时产生的,对这一现象相关说法正确的是ABD
A.线圈中的磁通量变化率经历先增大后减小再增大再减小的过程
B.如果滑片从中间向左移动时,坐标系中的两个峰值一定都会减小
C.磁铁在穿过线圈过程中加速度始终小于重力加速度g
D.如果仅略减小h,两个峰值都会减小
(3)在磁铁下降h的过程中,可估算机械能转化为电能是2.3×10-4J.
分析 (1)磁场下落经过线圈时线圈磁通量发生变化,此时线圈可以看作电源,根据图象可求出最大输出功率,根据闭合电路欧姆定律,即可求出螺线管产生的感应电动势的最大值.
(2)感应电动势的大小等于磁通量的变化率,因此通过线圈速度越大,磁通量的变化率越大,电动势越大,两个峰值也越大;根据闭合电路欧姆定律可知,当外电阻等于内阻时,输出功率最大.
(3)由W=UIt可知,电功率P(UI)-t图象与坐标轴所包围的图形的面积大小等于整个电路获得的电能,由图象可以求出在磁铁下降h的过程中机械能转化为电能的量.
解答 解:(1)由UI-t曲线可知,产生第一峰值时滑动变阻器功率为:P滑=0.0045W ①
线圈输出功率表达式为:P出=I2R外 ②
根据闭合电路欧姆定律得:E=I(r+R外) ③
联立①②③将r=40Ω,R外=20Ω代入得E=0.9V;
(2)A、磁铁进入线框时,磁通量增大,当磁铁从线框出来时,磁通量减小,故A正确;
B、当h减小时,磁铁进入线框的速度减小,导致线框中磁通量的变化率减小,因此两个峰值都会减小,且两个峰值不可能相等,故B正确;
C、在磁铁全部在线圈中的时候,磁通量的变化率为0,此时刻的感应电流为0,只受重力,加速度等于 g,故C错误;
D、根据闭合电路欧姆定律可知,当外电阻等于内电阻时,电源的输出功率最大,本题中滑动变阻器的最大阻值与内阻相等,因此增大滑动变阻器阻值,两个峰值都会增大,故D正确.
故选:ABD.
(3)根据图象物理意义可知:图象与横轴围成面积大小等于下落过程中电源的输出电能,
由图象可得,在磁铁下降h的过程中机械能转化为电能为:E=46×0.01×0.0005=2.3×10-4J(2.1×10-4J-2.4×10-4J均正确).
故答案为:(1)0.9;(2)ABD;(3)2.3×10-4.
点评 本题考查了电磁感应定律与闭合电路输出功率问题,考点结合巧妙,题目新颖,有一定创新性,难点在于理解该过程中的功能关系以及UI-t曲线的含义.
A. | 摩擦力总是阻碍物体运动 | |
B. | 摩擦力可以是物体的动力 | |
C. | 滑动摩擦力与相对运动方向既可同向也可反向 | |
D. | 有弹力就有摩擦力 |
A. | 生产半导体器件时,需要在纯净半导体材料中掺入其他元素,这可以在高温条件下通过分子的扩散来完成 | |
B. | 液晶显示屏是应用液晶的光学各向异性制成的,其内部的分子排列是很稳定的,不受外界因素的影响 | |
C. | 食盐晶体的物理性质沿各个方向都是一样的 | |
D. | 小草上的露珠呈球形的主要原因是液体表面张力的作用 |
A. | 直流电流刻度线和直流电压刻度线都是均匀的,可共用同一刻度线 | |
B. | 电阻刻度线是均匀的,且每一档的测量范围都是从0~∞ | |
C. | 交流电压刻度线是均匀的 | |
D. | 电阻刻度线上的零欧姆刻度线与直流电流刻度的最大刻度线相对应 |
A. | 弹簧恢复原长时AB速度最大 | |
B. | 弹簧恢复原长时B对A的作用力为零 | |
C. | AB沿斜面向上运动的过程中地面对斜面的支持力不断变小 | |
D. | AB沿斜面向上运动的过程中地面对斜面的摩擦力始终向左 |