内容正文:
第三节 电磁感应规律的应用
第二章 电磁感应
1.了解法拉第发电机的构造及工作原理。
2.会计算导体棒转动切割磁感线产生的感应电动势。
3.了解航母阻拦技术的工作原理,并能用其解决相关问题。
素养目标
知识点一 超速“电子眼”
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知识点二 法拉第发电机
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知识点三 航母阻拦技术
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课时测评
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随堂达标演练
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内容索引
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知识点一 超速“电子眼”
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情境导学 如图所示,在路面下方间隔一段距离埋设两个通电线圈。车辆底盘是金属的,当车辆通过通电线圈上方的道路时,车辆底盘中是否产生感应电流?该感应电流的磁场是否会在路面下的线圈中产生感应电动势?
提示:车辆底盘中会产生感应电流,该感应电流的磁场会在路面下方的线圈中产生感应电动势。
教材梳理(阅读教材P43完成下列填空)
“电子眼”即是一套利用__________规律制成的交通监测设备。当车辆通过通电线圈上方的道路时,做切割磁感线运动会产生感应电流,引起电路中电流的变化。根据v= ,只有汽车先后通过两个线圈上方的时间间隔______某个值,拍摄装置才会被触发拍下超速车辆的照片。
电磁感应
小于
合作探究
问题探究 汽车超速经过电子眼时,若及时减速或刹车,一定会被摄像头拍下吗,说说其中的道理。
提示:不一定;只有汽车先后通过两个线圈上方的时间间隔小于某个值,拍摄装置才会被触发拍照
(多选)(2023·四川内江高二期中)如图是公路上安装的一种测速“电子眼”。在“电子眼”前方路面下间隔一段距离埋设两个通电线圈,当车辆通过线圈上方的道路时,会引起线圈中电流的变化,系统根据两次电流变化的时间及线圈之间的距离,对超速车辆进行抓拍。下列判断正确的是
A.汽车经过线圈会产生感应电流
B.线圈中的电流是由于汽车通过线圈时发生
电磁感应引起的
C.“电子眼”测量的是汽车经过第二个线圈
的瞬时速率
D.如果某个线圈出现故障,没有电流,“电子眼”就无法正常工作
例1
√
√
“电子眼”前方路面下间隔一段距离埋设的是“通电线圈”,汽车上大部分是金属,当汽车通过线圈时,汽车金属中会产生感应电流,故A正确;线圈本身就是通电线圈,线圈中的电流并不是由于汽车通过线圈时发生电磁感应引起的,汽车通过时产生的电磁感应现象只是引起线圈中电流发生变化,故B错误;“电子眼”是根据两次电流变化的时间及线圈之间的距离,算出汽车通过两个线圈的平均速度,故C错误;如果某个线圈出现故障,没有电流,汽车经过时就不会产生电磁感应现象,“电子眼”就无法正常工作,故D正确。故选A、D。
针对练.(2023·鹤山市第二中学月考)火车、高铁是人们日常生活中重要的交通工具,为保障运输的安全,控制中心需要确定火车位置及其运动状态。有一种电磁装置可以向控制中心传输火车相关信息,其原理是在火车首节车厢下面安装能产生匀强磁场的磁铁,俯视图如图甲所示,当它经过安放在两铁轨间的线圈时,会产生一个电信号,被控制中心接收到,当火车依次通过线圈A、B时,若控制中心接收到线圈两端的电压信号如图乙所示,则说明火车的运动情况是
A.匀速 匀速
B.加速 加速
C.加速 减速
D.减速 加速
√
由E=BLv可知,感应电动势与速度成正比,火车通过线圈A时,电压随时间均匀增大,因此可知火车的速度随时间也均匀增大,所以火车在这段时间内做的是加速直线运动;同理,火车通过线圈B时,电压随时间均匀减小,因此可知火车在这段时间内做的是减速直线运动,故C正确,A、B、D错误。
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知识点二 法拉第发电机
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情境导学 如图所示,长为L的铜棒OA在垂直于匀强磁场的平面上绕点O以角速度ω匀速转动,磁场的磁感应强度为B。
(1)请根据法拉第电磁感应定律推导铜棒中感应电动势的大小。
提示:设在Δt时间内,铜棒转过的角度为α,则α=ωΔt
(2)根据右手定则判断O、A两点电势的高低。
提示:产生的感应电流方向由A向O(右手定则),而电源内部电流方向是由负极流向正极,所以O相当于电源的正极,A相当于电源的负极,即O点电势高于A点电势。
教材梳理(阅读教材P43-P45完成下列填空)
1.如图,把圆盘看作是由无数根长度等于半径的紫铜辐条组成的,在转动圆盘时,每根辐条都做____________的运动,电路中便有了持续不断的电流。
2.在法拉第发电机中,产生感应电动势的那部分导体相当于______。
切割磁感线
电源
合作探究
(2023·惠州市华罗庚中学高二月考)法拉第发明了人类历史上的第一台发电机,如图是这个圆盘发电机的示意图:圆盘安装在水平铜轴上,铜轴位于圆心处,转动轴下方正好在两磁极之间,两块铜片C、D分别与转动轴和铜盘的边缘接触,下列分析正确的是
A.因穿过铜盘的磁通量没有发生变化,故法拉第
的第一台发电机不能发电
B.假若该发电机能发电,则图乙中R上的电流从下
向上流动
C.图乙中流过R的电流方向不断改变
D.设图乙中铜盘半径为r,匀强磁场磁感应强度大小为B,铜盘转动的角速度为ω,铜盘产生的电动势为E=Br2ω
例2
√
导体棒转动切割磁感线时转轴位置问题
探究归纳
针对练1.(2023·广东惠州高二惠州一中校考)如图所示,在半径为R圆形区域内存在垂直于平面向里的匀强磁场,磁感应强度为B,圆外无磁场。一根长为2R的导体杆ab水平放置,a端处在圆形磁场的边界,现使杆绕a端以角速度为ω逆时针匀速旋转180°,在旋转过程中
A.b端的电势始终高于a端
B.ab杆电动势最大值E=BR2ω
D.瞬时电动势随时间先均匀增大,后均匀减少
√
针对练2.如图是法拉第研制成的世界上第一台发电机模型的原理图。将铜盘放在磁场中,让磁感线垂直穿过铜盘,图中a、b导线与铜盘的中轴线处在同一平面内,转动铜盘,就可以使闭合电路获得电流。若图中铜盘半径为r,匀强磁场的磁感应强度为B,回路总电阻为R,匀速转动的铜盘的角速度为ω,则电路的功率是
√
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知识点三 航母阻拦技术
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自主学习
情境导学 随着电磁技术的日趋成熟,新一代航母已经准备采用全新的电磁阻拦技术。它的原理是飞机着舰时利用电磁作用力使它快速停止。其原理简化为如图所示的模型。两平行光滑金属导轨间距为L,放在磁感应强度大小为B,方向如图所示的匀强磁场中,电阻阻值为R,质量为m、电阻阻值为r的金属棒垂直于导轨放在导轨上,质量为M的飞机着舰时迅速钩住金属棒,且关闭动力系统并立即达到共同速度v,飞机和金属棒很快停下来。
(1)此航母阻拦技术中飞机减速靠的是什么力?并计算该力大小;
(2)试分析飞机的运动性质。
教材梳理(阅读教材P45-P46完成下列填空)
工作原理:构建模型如图所示。把飞机和金属棒看成一个整体,其在磁场中做切割磁感线运动时,回路中会产生__________,切割磁感线的金属棒相当于电源。有电流流过金属棒时会受到磁场对棒的________作用,________的方向与运动方向相反,起阻碍作用,金属棒做减速运动。
感应电流
安培力
安培力
合作探究
角度一 电磁感应中的平衡问题
如图所示,两根平行金属导轨置于水平面内,导轨之间接有电阻R。金属棒ab与两导轨垂直并保持良好接触,整个装置放在匀强磁场中,磁场方向垂直于导轨平面向下。现使磁感应强度随时间均匀减小,ab始终保持静止,下列说法正确的是
A.ab中的感应电流方向由b到a
B.ab中的感应电流逐渐减小
C.ab所受的安培力保持不变
D.ab所受的静摩擦力逐渐减小
例3
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角度二 电磁感应中的非平衡问题
如图所示,两根光滑的平行金属导轨处于同一水平面内,相距L=0.3 m,导轨的左端M、N用R=0.2 Ω 的电阻相连,导轨电阻不计,导轨上跨接一电阻r=0.1 Ω的金属杆ab,质量m=0.1 kg,垂直于两导轨。整个装置放在竖直向下的匀强磁场中,磁感应强度B=1 T,现对杆施加一水平向右的拉力F=1.5 N,使它由静止开始运动,求:
例4
(1)杆能达到的最大速度为多少?此时拉力的瞬时功率为多少?
答案:5 m/s 7.5 W
当杆的合力为0时,速度最大,有
解得vm=5 m/s
PF=Fvm=7.5 W。
(2)当杆的速度v=2.5 m/s时,杆的加速度为多少?
答案:7.5 m/s2
当v=2.5 m/s时,由牛顿第二定律得
代入数据解得a=7.5 m/s2。
(3)试定性画出导体棒运动的速度-时间图像。
由(1)中分析可知,导体棒运动的速度-时间图像如图所示。
1.在变加速运动中,当a=0时,即F合=0时,杆的速度出现最大值或最小值。
2.瞬时功率和瞬时加速度都是状态量,首先要明确求解的是哪个时刻或哪个位置的功率和加速度,用该状态下的物理量去计算。
探究归纳
针对练1.如图甲所示,两根足够长的直金属导轨MN、PQ平行放置在倾角为θ的绝缘斜面上,两导轨间距为L,M、P两点间接有阻值为R的定值电阻,一根质量为m的均匀直金属杆ab放在两导轨上,并与导轨垂直,整套装置处于磁感应强度为B的匀强磁场中,磁场方向垂直于导轨平面向下,导轨和金属杆的电阻可忽略,让ab杆沿导轨由静止开始下滑,导轨和金属杆接触良好,不计它们之间的摩擦(重力加速度为g)。
(1)由b向a方向看到的装置如图乙所示,请在此图中画出ab杆下滑过程中的受力示意图;
如图所示,ab杆受重力mg,方向竖直向下;支持力FN,方向垂直于导轨平面向上;由右手定则可知,电流方向由a→b,则根据左手定则可知,安培力F安,方向沿导轨向上。
(2)在加速下滑过程中,当ab杆的速度大小为v时,求此时ab杆中的电流大小及其加速度的大小;
当ab杆的速度大小为v时,感应电动势E=BLv
(3)求在下滑过程中,ab杆可以达到的速度最大值。
当a=0时,ab杆达到最大速度vm
针对练2.如图所示,MN和PQ是两根互相平行竖直放置的光滑金属导轨,已知导轨足够长,且电阻不计,ab是一根与导轨垂直且始终与导轨接触良好的金属杆,开始时,将开关S断开,让杆ab由静止开始自由下落,过段时间后,再将S闭合,若从S闭合开始计时,则金属杆ab的速度v随时间t变化的图像不可能是下图中的
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随堂达标演练
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1.(2023·陕西西安联考)公路上安装的一种测速“电子眼”的示意图如图所示。在“电子眼”前方路面下间隔一段距离埋设两个通电线圈,当汽车通过线圈上方的道路时,会引起线圈中的电流变化,系统根据两次电流变化的时间及线圈之间的距离,对超速汽车进行抓拍。下列说法正确的是
A.汽车通过线圈上方的道路时,线圈中会产生感
应电流
B.汽车通过线圈上方的道路时,线圈中的电流一
定增大
C.汽车通过两个线圈的速度越小,线圈中的感应
电流越大
D.若某个线圈出现断路故障,则“电子眼”仍能正常工作
√
2.(多选)我们生活的北半球,地磁场有竖直向下的分量。如图所示,夏天,我们在教室里抬头就看到正在转动的金属材质的电风扇。已知叶片端点A到转轴O的长度为l,电风扇正在以转速n顺时针转动,则下列说法中正确的是
A.A点的电势比O点的电势高
B.A点的电势比O点的电势低
C.AO上的电动势为nπBl2
D.扇叶长度越短,电势差UAO的数值越大
√
由于我们生活的北半球,地磁场有竖直向下的分量,电风扇顺时针方向转动,切割磁感线产生电动势,根据右手定则可知,感应电流方向从A到O,则A点的电势比O点的电势低,故B正确,A错误;转动切割的电动势为E=Blv= Bl2ω=nπBl2,可知,转速一定时,扇叶长度越短,电势差UAO的数值越小,故C正确,D错误。故选B、C。
√
3.(多选)(2023·广东潮州期末)如图所示,金属棒AB垂直跨搁在位于水平面上的两条相距为L的平行光滑金属导轨上,棒AB与导轨接触良好,电阻为R,导轨左端接有阻值也为R的电阻,导轨本身电阻忽略不计。垂直于导轨平面的匀强磁场向下穿过平面。现以水平向右的恒定外力拉着棒AB向右移动,t秒末棒AB速度为v,则下列判断正确的是
A.t秒末AB棒两端的电压小于BLv
B.t秒内AB棒中存在从A流向B的电流
C.t秒内AB棒所受的安培力方向水平向左
D.t秒内AB棒的加速度逐渐减小
√
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4.(2023·广东珠海高二统考期末)如图甲所示,轻质细线吊着一质量m为0.6 kg,边长l为0.2 m,匝数n为100匝的正方形线圈,其总电阻r为2 Ω,正方形线圈中间位置以下区域处于垂直纸面向里的匀强磁场中,磁感应强度B的大小随时间t的变化关系如图乙所示,重力加速度g取10 m/s2,求:
(1)3秒末通过正方形线圈的电流大小;
答案:1 A
(2)t=2 s时,细线对线圈的拉力的大小。
答案:46 N
根据共点力平衡条件有F-nBIl-mg=0
由图像可知t=2 s时的磁感应强度为B=2.0 T
代入数据解得F=46 N。
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课 时 测 评
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1.(多选)安装在公路上的测速装置如图所示,在路面下方间隔一定距离埋设有两个通电线圈,线圈与检测抓拍装置相连,车辆从线圈上面通过时线圈中会产生脉冲感应电流,检测装置根据两个线圈产生的脉冲信号的时间差计算出车速大小,从而对超速车辆进行抓拍。下列说法正确的是
A.汽车经过线圈上方时,两线圈产生的脉冲电
流信号时间差越长,车速越大
B.汽车经过线圈上方时,两线圈产生的脉冲电
流信号时间差越短,车速越大
C.汽车经过通电线圈上方时,汽车底盘的金属部件中会产生感应电流
D.当汽车从线圈上方匀速通过时,线圈中不会产生感应电流
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汽车经过线圈上方时产生脉冲电流信号,车速越大,汽车通过两线圈间的距离所用的时间越小,即两线圈产生的脉冲电流信号时间差越小,故A错误,B正确;汽车经过通电线圈上方时,汽车底盘的金属部件通过线圈所产生的磁场,金属部件中的磁通量发生变化,在金属部件中产生感应电流,金属部件中的感应电流产生磁场,此磁场随汽车的运动,使穿过线圈的磁通量变化,所以线圈中会产生感应电流,故C正确,D错误。故选B、C。
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2.如图所示,竖直平面内有一金属环,半径为a,总电阻为2R,磁感应强度为B的匀强磁场垂直穿过环平面,与环的最高点A用铰链连接的长度为2a,电阻为 的导体棒AB由水平位置紧贴环面摆下。当摆到竖直位置时,B点的线速度为v,则这时AB两端的电压大小为
C.Bav D.2Bav
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3.(多选)(2023·广东惠州市惠阳高级中学高二校考)固定在水平面上的半径为l的金属圆环内存在竖直向上、磁感应强度大小为B的匀强磁场。金属棒一端与圆环接触良好,另一端通过电刷固定在竖直导电转轴OO′上的P点(P点为金属圆环的圆心),随轴以角速度ω顺时针匀速转动。在金属圆环的M点和电刷间接有阻值为R的电阻,不计其他电阻及摩擦。下列说法正确的是
A.R两端的电压为Bωl2
C.P点相当于电源的负极
D.流过R的电流由N到M
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4.如图所示,有两根和水平方向成θ角的光滑平行的金属轨道,上端接有可变电阻R,下端足够长,空间有垂直于轨道平面的匀强磁场,磁感应强度为B。一根质量为m的金属杆从轨道上由静止滑下。经过足够长的时间后,金属杆的速度会趋近于一个最大速度vm,不计金属杆和轨道的电阻,轨道足够长,则以下分析正确的是
A.金属杆先做匀加速直线运动然后做匀速直线运动
B.如果只减小轨道倾角,vm将变小
C.如果只增大B,vm将变大
D.如果同时增大B、R,vm将变小
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5.(多选)(2023·广东珠海高二校联考期中)如图所示,MN和PQ是两根相互平行、竖直放置的光滑金属导轨,已知导轨足够长,且电阻不计,导轨间距为L。ab是一根与导轨垂直而且始终与导轨接触良好的金属棒,金属棒质量为m,电阻为R,长度为L。开始时,将开关断开,让棒ab由静止开始自由下落,过段时间后,再将S闭合,下落过程ab棒始终
保持水平。下列说法正确的是
A.开关S断开,ab自由释放后,ab两端电压为零
B.闭合S后,ab中电流方向是从a流向b
C.闭合S后,金属棒ab立即做加速度减小的加速运动,最终匀速
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ab自由释放后,ab切割磁感线,ab相当于等效电源,开关S断开,ab两端电压大小等于等效电源的电动势BLv,故A错误;根据右手定则可知,闭合S后,ab中电流方向是从a流向b,故B正确;
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6.(2023·汕头市潮阳林百欣中学高二期中)如图所示,ab为固定在水平面上的半径为l、圆心为O的金属半圆弧导轨,Oa间用导线连接一电阻M。金属棒一端固定在O点,另一端P绕过O点的轴,在水平面内以角速度ω逆时针匀速转动,该过程棒与圆弧良好接触。半圆弧内匀强磁场垂直纸面向外,半圆弧外匀强磁场垂直纸面向里,磁感应强度大小均为B,已知金属棒由同种材料制成且粗细均匀,棒长为2l、总电阻为2r,M阻值为r,其余电阻忽略不计。当棒转到图中所示的位置时,棒与圆弧的接触处记为Q点,则
A.通过M的电流方向为O→a
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7.(2023·广东深圳统考)如图所示,间距为L且足够长的金属导轨固定在水平面上,导轨电阻与长度成正比,竖直向下的匀强磁场范围足够大,磁感应强度为B。导轨左端用导线连接阻值为R的定值电阻,阻值为R的导体棒垂直于导轨放置,与导轨接触良好。导体棒从导轨的最左端以速度v匀速向右运动的过程中
A.回路中的电流逐渐变大
B.回路中电流方向沿顺时针(俯视)
C.导体棒两端的电压大小为BLv
D.导轨的发热功率先变大后变小
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8.(多选)如图所示,电阻不计的导轨OPQS固定,其中PQS是半径为r的半圆弧,Q为半圆弧的中点,O为圆心,OM是长为r的可绕O转动的金属杆,其电阻为R,M端与导轨接触良好。空间存在与平面垂直且向里的匀强磁场(图中未画出),磁感应强度的大小为B,现使OM从OQ位置起以角速度ω逆时针匀速转到OS位置。则该过程中
A.产生的感应电流大小恒定,方向为OPQMO
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9.(10分)(2023·广东潮州高二统考期末)轻质细线吊着一由同种均匀导线绕成正方形单匝线框abcd,线框质量为m=0.24 kg,边长为l=2 m,其总电阻为r=0.4 Ω。在线框的中间位置以上区域分布着磁场,如图甲所示。磁场方向垂直纸面向里,磁感应强度大小随时间变化的关系如图乙所示。(g取10 m/s2)
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(1)判断线框中产生的感应电流的方向是顺时针还是逆时针;
答案:逆时针方向
根据楞次定律可知感应电流的方向为逆时针方向。
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(2)求整个线圈框4 s内产生的焦耳热;
答案:0.4 J
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(3)若细线能承受的最大拉力F为3 N,则刚要断时磁感应强度大小为多少?
答案:0.6 T
当细线刚要断时对于线框有F=mg+BIl
解得B=0.6 T。
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10.(10分)(2023·广东肇庆高二联考)如图甲是依附建筑物架设的磁力缓降高楼安全逃生装置,具有操作简单、无需电能、逃生高度不受限制,下降速度可调、可控等优点,该装置原理可等效为:间距L=0.5 m的两根竖直导轨上部连通,人和磁铁固定在一起沿导轨共同下滑,磁铁产生磁感应强度B=0.2 T的匀强磁场,人和磁铁所经位置处,可等效为有一固定
导体棒cd与导轨相连,整个装置总电阻始终为
R,如图乙所示,在某次逃生试验中,质量M1
=60 kg的测试者利用该装置以v=2 m/s的速度
匀速下降,已知与人一起下滑部分装置的质量
m=20 kg,且本次试验过程中恰好没有摩擦。
重力加速度取g=10 m/s2。
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(1)判断导体棒cd中电流的方向。
答案:从d到c
磁场向下运动,cd相对于磁场向上运动,根据右手定则可得电流方向从d到c。
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(2)总电阻R多大?
答案:2.5×10-5 Ω
导体棒产生的感应电动势E=BLv
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(3)如要使一个质量M2=100 kg的测试者利用该装置以v=2 m/s的速度匀速下滑,其摩擦力多大?
答案:400 N
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对M2和m,由平衡条件可得
解得f=400 N。
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谢 谢 观 看 !
第二章
电磁感应
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相对位置
转轴位置
端点
中点
任意位置
导体棒ab长为l,垂直于匀强磁场(磁感应强度为B),转动平面也垂直于磁场方向(转动角速度为ω)
Eab=Bl=Blv中=Bl2ω
Eab=0
Eab=Blω-Blω
在“电子眼”前方路面下间隔一段距离埋设的是通电线圈,汽车的大部分部件是金属,当汽车通过线圈时会引起通电线圈的磁通量变化,从而产生电磁感应现象,产生感应电动势,汽车经过线圈会产生感应电流,但感应电流的方向和原电流的方向可能相反,故线圈中的电流可能减小,故A正确,B错误;由I==可知,汽车通过两个线圈的速度越小,线圈中的感应电流越小,故C错误;若某个线圈断路,汽车通过时就不会产生电流,“电子眼”就无法正常工作,故D错误。故选A。
由导体棒绕其端点在磁场中转动时产生的电动势为E=Br=Br·=Br2ω,所以产生的电动势恒定,电流恒定,由于磁场方向垂直纸面向里,由右手定则可知电流的方向为OPQMO,故A正确,C错误;通过OM的电荷量q===,故B正确;由闭合电路欧姆定律得I==,金属杆OP的发热功率为P=I2R=,故D错误。故选A、B。
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