题目内容

11.小林利用如图甲装置做实验,固定支架上悬挂一蹄形磁铁,悬挂轴与一手柄固定连接,旋转手柄可连带磁铁一起绕轴线OO′自由旋转,蹄形磁铁两磁极间有一可绕OO′自由旋转的矩形线圈abcd(cd与OO′重合),手柄带着磁铁以8rad/s的角速度匀速旋转,某时刻蹄形磁铁与线框平面正好重合(如图乙),此时线圈旋转的角速度为6rad/s,已知线圈边ab=5cm,ad=2cm,线圈所在处磁场可视为匀强磁场,磁感应强度B=0.4T,线圈匝数为200匝,电阻为1.6Ω,则:
(1)若手柄是逆时针旋转(俯视),请判断线框旋转的方向(俯视);
(2)试判断此时线框中电流的方向;
(3)试求图乙时刻线圈中的电流大小及电流的热功率;
(4)若另一时刻蹄形磁铁的磁场恰好与线框平面垂直,这时线圈被卡住,试求此刻到紧接着再次出现磁场垂直线圈平面的过程中,通过线圈的电量.

分析 (1)根据楞次定律判断线框所受的安培力方向,即可判断其转动方向.
(2)根据楞次定律或右手定则分析感应电流的方向.
(3)由E=NBL(v1-v2),v=ωr,结合求出感应电动势,再由欧姆定律求感应电流,从而得到其功率.
(4)根据法拉第电磁感应定律、欧姆定律和电量公式结合求解电量.

解答 解:(1)若手柄是逆时针旋转(俯视),根据楞次定律,知安培力将阻碍线框与磁场间的相对运动,线框所受的安培力使得线框也逆时针旋转.
(2)图中磁场方向向右,ab边切割速度向里,由右手定则判断知,此时线框中电流的方向为abcda(逆时针方向).
(3)图乙时刻线圈中感应电动势 E=NB•ab•(v1-v2)
又磁场的线速度大小 v1=ω1•ad=8×0.02=0.16m/s,ab边的线速度大小 v2=ω2•ad=6×0.02=0.12m/s
可得 E=0.16V
感应电流 I=$\frac{E}{R}$=$\frac{0.16}{1.6}$A=0.1A
电流的热功率 P=I2R=0.01×1.6W=0.016W
(4)电量 q=$\overline{I}△t$=$\frac{\overline{E}}{R}△t$=N$\frac{△Φ}{R}$=N$\frac{2BS}{R}$
又 S=ab•bc
联立解得 q=0.1C
答:(1)若手柄是逆时针旋转(俯视),线框旋转的方向(俯视)为逆时针方向;
(2)此时线框中电流的方向为abcda(逆时针方向);
(3)图乙时刻线圈中的电流大小为0.1A,电流的热功率为0.016W;
(4)通过线圈的电量为0.1C.

点评 本题要掌握楞次定律的第二种表述:感应电流的磁通量总阻碍相对运动,使用楞次定律判定线框的运动方向,当磁场与线圈有相对运动时,应根据相对速度求解感应电动势.

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