题目内容

11.如图所示,一台模型发电机的电枢是矩形导线框abcd,其ab和bc边长均为0.2m,匝数N=100,它在磁感应强度B=0.2T的匀强磁场中,绕通过线框对称中心且垂直于磁场方向的轴OO′匀速转动,并通过滑环和电刷与外电路连接,当S断开时,交流电压表示数为10$\sqrt{2}$V,当S闭合时,标有“10V 10W”的灯泡恰好正常发光,求:
(1)这台发电机的内阻为多少?
(2)导线框abcd转动的角速度为多少?
(3)S闭合时,从图示位置开始计时,写出通过灯泡电流的瞬时值表达式.
(4)S闭合时,从图示位置开始转过60°的过程中通过灯泡的电量是多少?

分析 (1)据灯泡的额定电压与额定功率,与闭合电路欧姆定律即可求解;
(2)根据电压表有效值,可求出最大值,由Em=NBSω 即可求解;
(3)根据灯泡工作时的最大值及起始时刻可求得对应的表达式;
(4)根据法拉第电磁感应定律求解平均电动势,则可求得平均电流,最终得出电量的表达式.

解答 解:(1)S闭合,“10V 1OW”灯泡正常发光,则电路中电流:
I=$\frac{P}{U}=\frac{10}{10}=1A$
R=$\frac{U}{I}=\frac{10}{1}=10Ω$
而E=I(R+r)
解得:r=$\frac{10\sqrt{2}}{1}$-10=4.14Ω;
(2)当S断开,电压表示数为12V,则:
Em=$\sqrt{2}$×10V=10$\sqrt{2}$V
而Em=NBSω
带入数据得:10$\sqrt{2}$=141×0.2×0.2×0.2ω
解得:ω=25rad/s
(3)灯泡电流的最大值为$\sqrt{2}$A;从中性面开始计时,则表达式为:
i=$\sqrt{2}$sin25t;
(4)S闭合,“10V 1OW”灯泡正常发光,则电路中电流:
I=$\frac{P}{U}$ ④
而E=I(R+r) ⑤
线框转过θ=600过程中通过灯泡的电荷量:
Q=$\overline{I}$△t ⑥
而$\overline{I}$=$\frac{\overline{E}}{R+r}$ ⑦
又$\overline{E}$=$\frac{△Φ}{△t}$=$\frac{NBS(1-sin60°)}{△t}$ ⑧
则通过灯光的电量:
q=$\frac{NBS(1-sin60°)}{R+r}$
代入数据,解得:
q≈0.018C
答:(1)这台发电机的内阻为4.14Ω
(2)导线框abcd转动的角速度为25rad/s;
(3)S闭合时,从图示位置开始计时,写出通过灯泡电流的瞬时值表达式为i=$\sqrt{2}$sin25t;
(4)S闭合时,从图示位置开始转过60°的过程中通过灯泡的电量是0.018C.

点评 本题考查交流电的有效值与最大值的关系,掌握最大值Em=NBSω 公式,理解闭合电路欧姆定律与法拉第电磁感应定律的应用;同时注意在求解电量时要用平均值.

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