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,两根足够长的平行光滑金属导轨固定在同一水平面内,导轨上静止放置两根完全相同粗细均匀的导体棒$ab$$cd$,整个装置处在竖直向上的匀强磁场中。现给$ab$棒一个平行于导轨的初速度并开始计时,不计电磁辐射及金属导轨的电阻,导体棒$ab$$cd$始终与导轨垂直并接触良好,下列关于棒$ab$$cd$中产生的感应电动势$e_{ab}$$e_{cd}$、回路中的感应电流$i$、导轨间的电压$u$与时间$t$的函数关系图像中,可能正确的是$(\qquad)$

["

","

","

","

"]
[["D"]]

$\rm A$.设磁感应强度为$B$,两导体棒的质量均为$m$、接入电路的长度均为$d$、电阻均为$R$,导体棒$ab$的初速度为$v_{0}$。某时刻$t$导体棒$ab$$cd$的速度分别为$v_{1}$$v_{2}$,回路的感应电流为$i$。由法拉第电磁感应定律有$e_{ab}=Bdv_{1}$$e_{bc}=Bdv_{2}$

$i=\dfrac{Bd\left( v_{1}-v_{2} \right)}{2R}$

两导体棒受到的安培力大小$F=Bdi$

与棒$ab$的运动方向相反,与棒$cd$的运动方向相同,所以棒$ab$减速、棒$cd$加速,当两棒速度相同时,回路中没有感应电流,两棒做匀速直线运动,由动量守恒定律$mv_{0}=2mv_{共}$

解得最终两棒的速度为$v_{共}=\dfrac{v_{0}}{2}$

由于$v_{1}$减小、$v_{2}$增大,所以$(v_{1}-v_{2})$减小,电流$i$减小,$F=Bdi$减小,棒运动的加速度减小,即棒$ab$做初速度为$v_{0}$、加速度逐渐减小的减速运动,所以$e_{ab}$减小得越来越慢,最终$e_{ab}$趋于$\dfrac{Bdv_{0}}{2}$,故$\rm A$错误;

$\rm B$.棒$cd$做初速度为零、加速度逐渐减小的加速运动,所以$e_{cd}$由零开始增加得越来越慢,最终趋于$\dfrac{Bdv_{0}}{2}$,故$\rm B$错误;

$\rm C$.由于$(v_{1}-v_{2})$$i$越来越小,最终$(v_{1}-v_{2})$$i$趋为零,故$\rm C$错误。

$\rm D$.两导轨间的电压$u=e_{ab}-iR$

对两棒由动量守恒有$mv_{0}=mv_{1}+mv_{2}$

联立得$u=\dfrac{Bdv_{0}}{2}$

$u$恒定,$\rm D$正确。

故选:$\rm D$

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