题目内容

20.如图所示,矩形线圈的匝数为n,面积为S,电阻为r,线圈在磁感应强度为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.求:
(1)若从线圈处于中性面开始计时,写出线圈中感应电动势的瞬时值表达式;
(2)在线圈由图示位置转过90°的过程中,电阻R上产生的焦耳热Q.
(3)线圈从图示位置转过$\frac{π}{2}$的过程中,感应电动势的平均值是多大?

分析 (1)若从线圈处于中性面开始计时,电压为正弦函数,依据e=Emsinωt可得线圈中感应电动势的瞬时值表达式.
(2)电阻R上产生的焦耳热Q应用电流的有效值来表示,最大值Em=nBSω,结合最大值和有效值的关系可得有效值,进而求解电热.
(3)交变电动势的平均值公式为E=n$\frac{△Φ}{△t}$,由此可得线圈从图示位置转过$\frac{π}{2}$的过程中,感应电动势的平均值.

解答 解:(1)从中性面开始,电压为正弦函数:e=Emsinωt=nBS•ωsin (ωt)            
(2)产生的感应电动势的最大值为:Em=nBSω
电动势的有效值为:
E=$\frac{Em}{\sqrt{2}}$=$\frac{nBSω}{\sqrt{2}}$          
由闭合电路欧姆定律得,回路中电流的有效值为:
$I=\frac{E}{R+r}=\frac{nBSω}{\sqrt{2}(R+r)}$                  
线圈转过$\frac{π}{2}$所用的时间:
△t=$\frac{π}{2ω}$                 
该过程中电阻R上产生的热量为:
Q=I2R△t=$(\frac{nBSω}{\sqrt{2}(R+r)})^{2}$×R×$\frac{π}{2ω}$=${\frac{π{n}^{2}R{B}^{2}{S}^{2}ω}{4(R+r)^{2}}}^{\;}$.
(3)线圈从图示位置转过$\frac{π}{2}$的过程中,磁通量的变化为:
△Φ=BS                                  
线圈转过$\frac{π}{2}$所用的时间△t=$\frac{π}{2ω}$
此过程中交变电动势的平均值:
E=n$\frac{△Φ}{△t}$=$\frac{nBS}{\frac{π}{2ω}}$=$\frac{2ωBSn}{π}$.
答:
(1)若从线圈处于中性面开始计时,写出线圈中感应电动势的瞬时值表达式e=nBS•ωsin (ωt);
(2)在线圈由图示位置转过90°的过程中,电阻R上产生的焦耳热Q=${\frac{π{n}^{2}R{B}^{2}{S}^{2}ω}{4{(R+r)}^{2}}}^{\;}$.
(3)线圈从图示位置转过$\frac{π}{2}$的过程中,感应电动势的平均值为$\frac{2ωBSn}{π}$.

点评 该题的关键是区分交流电的最大值,有效值,平均值,要特别明确在什么情况下应该用什么值来计算,如电热要用有效值,而求通过的电荷量要用平均值.

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