题目内容

1.如图所示,MN、PQ是两条在水平面内、平行放置的光滑金属导轨,导轨的右端接理想变压器的原线圈,变压器的副线圈与阻值为R=0.5Ω的电阻组成闭合回路,变压器的原副线圈匝数之比n1:n2=2:1,导轨宽度为L=0.5m.质量为m=1kg的导体棒ab垂直MN、PQ放在导轨上,在水平外力作用下,从t=0时刻开始做往复运动,其速度随时问变化的规律是v=2sin$\frac{π}{2}$t(m/s),已知垂直轨道平面向下的匀强磁场的磁感应强度大小为B=1T,导轨、导体棒、导线和线圈的电阻均不计,电流表为理想交流电流表,导体棒始终在磁场中运动.求:
(1)在t=1s时刻电流表的示数;
(2)电阻R上消耗的电功率;
(3)从t=0至1=3s的时间内水平外力所做的功W.

分析 (1)根据电动势为E=BLv=BL2sin$\frac{πt}{2}$,求出当t=1s时的电压最大值,从而求出有效值,根据变压器原副线圈电压、电流与线圈匝数的关系求解;
(2)根据P=I2R求解功率;
(3)根据动能定理求出水平外力所做的功W.

解答 解:(1)据题意,速度变化规律为v=2sin$\frac{π}{2}$t(m/s),则产生的电动势为E=BLv=BL×2sin$\frac{πt}{2}$,当t=1s时,电动势为Em=1v,则原线圈电压为U1m=1v,则有效值${U}_{1}=\frac{\sqrt{2}}{2}V$,
根据$\frac{{U}_{1}}{{U}_{2}}=\frac{{n}_{1}}{{n}_{2}}$得:${U}_{2}=\frac{\sqrt{2}}{4}V$,则在t=1s时刻副线圈的电流,电流表的示数${I}_{2}=\frac{{U}_{2}}{R}=\frac{\sqrt{2}}{2}A$,
根据$\frac{{I}_{1}}{{I}_{2}}=\frac{{n}_{2}}{{n}_{1}}$得:${I}_{1}=\frac{\sqrt{2}}{4}A$
(2)电阻R上消耗的电功率P=${{I}_{2}}^{2}R=(\frac{\sqrt{2}}{2})^{2}×0.5=0.25W$,
(3)根据动能定理有:w外-w安=$\frac{1}{2}$mv2,则有w外=w安+$\frac{1}{2}$mv2,
由v=2sin$\frac{π}{2}$t,可知,t=0时,v=0,t=3s时,v=-2m/s,
而安培力做功为:w安=U2I2t=0.75J
解得:w外=2.75J
答:(1)在t=1s时刻电流表的示数为$\frac{\sqrt{2}}{4}A$;
(2)电阻R上消耗的电功率为0.25W;
(3)从t=0至1=3s的时间内水平外力所做的功为2.75J.

点评 知道导体棒切割磁感线产生正弦式交变电流、应用E=BLv、变压器公式、焦耳定律即可正确解题,知道导体棒产生交变电流是正确解题的关键.

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