题目内容
如图甲所示是某人设计的一种振动发电装置,它的结构是一个套在辐向形永久磁铁槽中的半径为r=0.1m、匝数n=20的线圈,磁场的磁感线均沿半径方向均匀分布(其右视图如图乙所示).在线圈所在位置磁感应强度B的大小均为0.2T,线圈的电阻为1.5Ω,它的引出线接有质量为0.01kg、电阻为0.5Ω的金属棒MN,MN置于倾角为30°的光滑导轨上,导轨宽度为0.25m.外力推动线圈框架的P端,使线圈沿轴线做往复运动,便有电流通过MN.当线圈向右的位移x随时间t变化的规律如图丙所示时(x取向右为正),g=10m/s2.求:

(1)若MN固定不动,流过它的电流大小和方向?
(2)若MN可自由滑动,至少要加多大的匀强磁场B'才能使MN保持静止,并在图丁中画出磁感应强度B'随时间变化的图象;
(3)发电机的输出功率.
(1)若MN固定不动,流过它的电流大小和方向?
(2)若MN可自由滑动,至少要加多大的匀强磁场B'才能使MN保持静止,并在图丁中画出磁感应强度B'随时间变化的图象;
(3)发电机的输出功率.
分析:(1)根据图丙所示图象求出线圈的速度,然后根据公式E=BLv求出感应电动势,由欧姆定律求感应电流,由右手定值判断出感应电流方向与大小;
(2)线圈做匀速直线运动,推力等于安培力,由平衡条件及安培力公式可以求出磁感应强度B'随时间变化的关系式,从而画出图象;
(3)由电功率公式P=I2R可以求出发电机的输出功率;
(2)线圈做匀速直线运动,推力等于安培力,由平衡条件及安培力公式可以求出磁感应强度B'随时间变化的关系式,从而画出图象;
(3)由电功率公式P=I2R可以求出发电机的输出功率;
解答:
解:(1)由图丙知线圈运动速度
V=
=
m/s=0.8m/s①
线圈向右运动时切割感线,且各处磁场方向与组成线圈的导线垂直,线圈产生电动势
E=nBLV=2πrnBV ②
流过MN电流 I=
③
联立①、②、③得I=
=
A=1A④
流过MN电流方向从M到N.
当线圈向左运动时,电流大小不变,流过MN的电流方向从N到M.
(2)MN受重力、斜面支持力和安培力作用处于静止状态,要使外加磁场B'最小,即安培力最小,当流过MN电流从M到N时,由左手定则知磁场方向垂直轨道平面向下.且mgsin30°=B'IL⑤
B′=
=
T=0.2T⑥
当流MN电流从N到M时,要MN静止,B'的方向相反,即垂直轨道平面向上,以此方向为正方向,则磁感应强度B'随时间变化图象如图所示.
(3)发电机输出功率P=I2R外=12×0.5W=0.5W
答:(1)若MN固定不动,流过它的电流大小为1A和方向从N到M;
(2)若MN可自由滑动,至少要加0.2T的匀强磁场B'才能使MN保持静止,并在图丁中画出磁感应强度B'随时间变化的图象如上图所示;
(3)发电机的输出功率为0.5W.
V=
| △x |
| △t |
| 8×10-2 |
| 0.1 |
线圈向右运动时切割感线,且各处磁场方向与组成线圈的导线垂直,线圈产生电动势
E=nBLV=2πrnBV ②
流过MN电流 I=
| E |
| R外+r内 |
联立①、②、③得I=
| 2πrnBV |
| R外+r内 |
| 2×3.14×0.1×20×0.2×0.8 |
| 0.5+1.5 |
流过MN电流方向从M到N.
当线圈向左运动时,电流大小不变,流过MN的电流方向从N到M.
(2)MN受重力、斜面支持力和安培力作用处于静止状态,要使外加磁场B'最小,即安培力最小,当流过MN电流从M到N时,由左手定则知磁场方向垂直轨道平面向下.且mgsin30°=B'IL⑤
B′=
| mgsin300 |
| IL |
| 0.01×10×0.5 |
| 1×0.25 |
当流MN电流从N到M时,要MN静止,B'的方向相反,即垂直轨道平面向上,以此方向为正方向,则磁感应强度B'随时间变化图象如图所示.
(3)发电机输出功率P=I2R外=12×0.5W=0.5W
答:(1)若MN固定不动,流过它的电流大小为1A和方向从N到M;
(2)若MN可自由滑动,至少要加0.2T的匀强磁场B'才能使MN保持静止,并在图丁中画出磁感应强度B'随时间变化的图象如上图所示;
(3)发电机的输出功率为0.5W.
点评:解决本题的关键从图象得出切割的速度,从而得出感应电动势的大小,通过闭合电路欧姆定律和功率公式进行求解.
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