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

如图甲所示,虚线$MN$是斜面上平行于斜面底端的一条直线,$MN$上方存在垂直于斜面向上的匀强磁场,磁感应强度$B$随时间$t$的变化规律如图乙所示。$t=0$时刻将一单匝正方形导体框自与$MN$距离$s=1m$处由静止释放,直至导体框完全穿出磁场的过程中其速度一时间图像如图丙所示。已知斜面倾角$\theta=37^\circ $,导体框与斜面间的动摩擦因数$\mu =0.5$,运动中导体框底边与$MN$始终平行,导体框质量$m=2\;\rm kg$,电阻$R=2\;\rm \Omega$,边长$l=2m$,重力加速度$g=10\;\rm m/s^{2}$。设从释放至导体框穿出磁场的过程中,整个导体框所受安培力大小为$F$,回路中产生的焦耳热的功率为$P$,通过导体框的电流为$I$,导体框的机械能为$E$(释放处$E=0$),沿斜面下滑的位移为$x$,则下列图像正确的是$(\qquad)$

["

","

","

","

"]
[["AD"]]

$\rm A$$0\sim 1\;\rm s$内,根据感生电动势$E=nS\dfrac{\Delta B}{\Delta t}$,得$E=4\;\rm V$

由于上下两个边均切割磁感线因此动生电动势为$0$;回路中感应电流沿顺时针方向,导体框所受安培力对边相抵$F=0$

根据功能关系得:从开始到$x=1m$处过程中导体框所受安培力合力为$0$,做匀加速直线运动,加速度$a=g\sin \theta − \mu g\cos \theta$

解得$a=2\;\rm m/s^{2}$

$1\;\rm s$末速率$v=at=2\;\rm m/s$

位移$x_{1}=\dfrac{1}{2}at^{2}=1\;\rm \text{m}$

之后磁感应强度$B$不变

$F_{安}=\dfrac{B^{2}l^{2}v}{R}=4\;\rm \text{N}$$F_{安}=mg\sin \theta − \mu mg\cos \theta$

导体框开始匀速穿出磁场,故$\rm A$正确;

$\rm B$$0\sim 1\;\rm s$$P_{1}=\dfrac{E^{2}}{R}$

解得$P_{1}=8\;\rm W$

恒定不变,故$\rm B$错误;

$\rm C$$0\sim 1\;\rm s$内,通过导体框的电流$I=\dfrac{E}{R}=2\;\rm \text{A}$

$\rm C$错误;

$\rm D$$0\sim 1\;\rm s$内导体框机械能满足

$E=E_{0}-\mu mg\cos \theta x$$E_{0}=0$

$E=-8x$

$x=1\;\rm m$$E_{1}=-8\;\rm J$

$x=1\;\rm m$$x=3\;\rm m$处过程中满足$E=E_{1} − (\mu mg\cos \theta+BIl)(x − 1)$

解得$E=4 − 12x$

$x=3\;\rm m$处时$E_{2}=-32\;\rm J$

$\rm D$正确。

故选:$\rm AD$

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