题目内容

10.如图1所示,空间有一宽为2L的匀强磁场区域,磁感应强度大小为B,方向垂直纸面向外.abcd是由均匀电阻丝做成的边长为L的正方形线框,总电阻为R.线框以垂直磁场边界的速度v匀速通过磁场区域,在运动过程中,线框ab、cd两边始终与磁场边界平行.设线框刚进入磁场的位置x=0,x轴沿水平方向向右.求:
(1)cd边刚进入磁场和cd边刚离开磁场时,ab两端的电势差分别是多大?并分别指明a,b哪端电势高;
(2)线框穿过磁场的整个过程中,线框中产生的焦耳热.
(3)在图2中,画出ab两端电势差Uab随距离变化的图象,其中U0=BLv.

分析 (1)根据公式E=BLv求出电路中的感应电动势,再得到ab两端电势差Uab大小.由楞次定律判断感应电流的方向,确定Uab的正负.
(2)根据楞次定律来确定有无感应电流,得出产生感应电流的时间,再由焦耳定律,即可求解.

解答 解:(1)cd边刚进入磁场时,cd切割磁感线产生的感应电动势  E=BLv   ①
回路中的感应电流 $I=\frac{E}{R}$   ②
ab两端的电势差大小为 U=$I\frac{R}{4}=\frac{BLv}{4}$    ③由右手定则可知,b端电势高 
cd边刚离开磁场时,ab边切割磁感线产生感应电动势大小和回路中电流大小与cd边刚进入磁场时的相同,即为I′=I,
所以ab两端的电势差大小为:$U=I′\frac{3R}{4}=\frac{3BLv}{4}$④由右手定则可知,b端电势高  
(2)线框进入磁场的过程和离开磁场的过程中产生的感应电流大小相等,设线框能产生感应电流的时间为t,产生的总焦耳热为Q,则有 $t=\frac{2L}{v}$     ⑤
Q=I2Rt      ⑥
联立②⑥⑦式解得:$Q=(\frac{BLv}{R})^{2}R\frac{2L}{v}=\frac{2{B}^{2}{L}^{3}v}{R}$   ⑦
 (3)如图:
答:(1)cd边刚进入磁场和cd边刚离开磁场时,ab两端的电势差分别是$\frac{1}{4}$BLv与$\frac{3}{4}$BLv;均是b端电势高.
(2)线框通过磁场的整个过程中,线框中产生的焦耳热为$\frac{2{B}^{2}{L}^{3}v}{R}$.
(3)根据(1)中的计算结果画出图象,如图:

点评 本题由右手定则或楞次定律判断电势高低,根据电路知识求出电势差;同时掌握焦耳定律的应用,强调存在的感应电流的判定.

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