高中 | 电磁感应的图像问题 题目答案及解析

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选修3-2

第四章 电磁感应

4.4 法拉第电磁感应定律

电磁感应的图像问题

如图所示,两根足够长的平行金属导轨位于水平的$xOy$平面内,导轨与$x$轴平行,左端接有电阻$R$。在$x\gt 0$的一侧存在竖直向下的磁场,磁感应强度$B$随空间均匀变化,满足$B=B_{0}+kx$$k\gt 0$且为定值)。一金属杆与导轨垂直放置,且接触良好,在外力作用下沿$x$轴正方向匀速运动。$t=0$时金属杆位于$x=0$处,不计导轨和金属杆的电阻。图$2$中关于金属杆两端的电压$U$和所受安培力$F$大小的图像正确的是$(\qquad)$

["

","

","

","

"]
[["B"]]

$\rm AB$.设金属杆在$\Delta t$内运动的位移为$x$,且$\Delta t\to 0$,设两导轨间的距离为$L$,则在$\Delta t$时间内金属杆与导轨、电阻构成的闭合回路中磁通量的变化量$\Delta \!\Phi=\left( {{B}_{0}}+kx \right)xL-0$

$\Delta t$内闭合回路中产生的感应电动势$E=\dfrac{\Delta\!\Phi}{\Delta t}=\dfrac{\left( {{B}_{0}}+kx \right)xL}{\Delta t}$

设金属杆匀速运动的速度为$v$,则$v=\dfrac{x}{\Delta t}$

代入上式,可得$E=\left( {{B}_{0}}+kx \right)Lv$

不计导轨和金属杆的电阻,则金属杆两端的电压$U=E=\left( {{B}_{0}}+kx \right)Lv$

可知$U$$x$成线性关系,是一条倾斜的直线,由$U=\left( {{B}_{0}}+kx \right)Lv$,可得$U=\left( {{B}_{0}}+kx \right)Lv=\left( {{B}_{0}}+kvt \right)Lv$

可知$U$$t$成线性关系,是一条倾斜的直线,故$\rm A$错误,$\rm B$正确;

$\rm CD$.由闭合电路欧姆定律可得电路中感应电流$I=\dfrac{E}{{{R}_{0}}}=\dfrac{\left( {{B}_{0}}+kx \right)Lv}{{{R}_{0}}}$

金属杆所受安培力:$F=BIL$,代入数据可得$F=\dfrac{{{\left( {{B}_{0}}+kx \right)}^{2}}{{L}^{2}}v}{{{R}_{0}}}$

可知$F$$x$不是线性关系,$F-x$图像应为曲线,由$F=\dfrac{{{\left( {{B}_{0}}+kx \right)}^{2}}{{L}^{2}}v}{{{R}_{0}}}$,可得$F=\dfrac{{{\left( {{B}_{0}}+kvt \right)}^{2}}{{L}^{2}}v}{{{R}_{0}}}$

可知$F$$t$不是线性关系,$F-t$图像应为曲线,故$\rm CD$错误。

故选:$\rm B$

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