高中 | 动生电动势 题目答案及解析

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选修3-2

第四章 电磁感应

4.5 电磁感应现象的两类情况

动生电动势

节能装置

为更好地利用能,生活中应用越来越多的节能装置。

如图所示为一种可自动控制亮度的节能路灯的电路示意图。已知电源电动势为$E$、内阻为$r$,定值保护电阻的阻值为$R_{0}$,且$R_{0}\gt r$$L$为可视作定值电阻的灯泡,需达到特定功率才能亮。$R_{L}$为阻值随光照强度增大而减小的光敏电阻,$\rm A$$\rm A_{1}$均为理想电流表。将滑片$P$滑至滑动变阻器$R$的中间某位置,闭合开关$\rm S$。当天色逐渐变暗时,灯泡先不亮,后逐渐变亮。

①(多选)在此过程中       

$\rm A$$\rm A_{1}$表的示数变大

$\rm B$$\rm A_{1}$表示数的变化量小于$\rm A$表的示数变化量

$\rm C$.电源的输出电压变大

$\rm D$.电源的输出功率变小

②为了让灯泡在天色更暗时才亮,滑片$\rm P$应向滑动变阻器的       (选涂:$\rm A$.左    $\rm B$.右)侧移动适当的距离。

[["$\\rm CD$","$\\rm A$"]]

$\rm C$.天色逐渐变暗时,光照减弱,$R_{L}$接入阻值增大,外电路总电阻增大,干路电流减小,根据闭合电路欧姆定律有$U=E-Ir$

可知,路端电压增大,故$\rm C$正确;

$\rm D$.电源的输出功率$P=\left( \dfrac{E}{R_{外}+r} \right)^{2}R_{外}=\dfrac{E^{2}}{R_{外}+\dfrac{r^{2}}{R_{外}}+2r}$

由于$R_{0}\gt r$

可知,外电路总电阻$R_{外}$大于电源内阻,天色逐渐变暗时,光照减弱,$R_{L}$接入阻值增大,外电路总电阻$R_{外}$增大,根据数学对勾函数的规律,电源的输出功率变小,故$\rm D$正确;

$\rm A$.结合上述,干路电流减小,电源内阻与电路干路上消耗的总电压减小,电路并联部分电压增大,则灯泡与滑动变阻器并联部分电流增大,可知,通过光敏电阻的电流变小,即$\rm A_{1}$表的示数变小,故$\rm A$错误;

$\rm B$.令干路电流为$I$,灯泡与滑动变阻器并联部分电流为$I_{并}$$\rm A_{1}$表的示数为$I_{1}$,则有$I=I_{1}+I_{并}$

则有$\Delta I=\Delta I_{1}+\Delta I_{并}$

结合上述可知$\Delta I \lt 0$$\Delta I_{1} \lt 0$$\Delta I_{并} \gt 0$

可知,$\rm A_{1}$表示数的变化量大于$\rm A$表的示数变化量,故$\rm B$错误。

故选:$\rm CD$

灯泡在天色更暗时才亮,即光敏电阻阻值更大时,灯泡与光敏电阻并联电阻值较大,灯泡才能达到特定功率,即灯泡才能达到特定电压,若滑片不动,由于外电路总电阻增大,干路电流减小,干路上电阻与电源内阻承担电压减小,并联部分电压增大,可知,需要适当减小并联电阻,即需要减小滑动变阻器并联部分电阻,滑片$P$需要向左滑动。即选$\rm A$

如图所示为某风力发电节能灯的电路简化示意图。其中交流发电机的电动势表达式为$e=3v\sin(\omega t)(\rm V)$$v$为风速,$t$为时间,$\omega=kv$$k$为常数。调节器能感应风速大小并相应调节滑片$P$的位置,改变理想变压器的副线圈匝数,使灯泡$\rm L$正常发光,调节器不消耗副线圈电路的电能。当风速$v=2.8\;\rm m/s$时,原、副线圈的匝数之比为$1:4$,灯泡$\rm L$正常发光,则灯泡的额定电压约为                 $\;\rm V$(结果保留$2$位有效数字)。

[["$24$"]]

原线圈电压的有效值$U_{1}= \dfrac{3v}{\sqrt{2}}$

根据电压匝数关系有$\dfrac{U_{1}}{U_{2}}=\dfrac{n_{1}}{n_{2}}$

解得$U_{2}\approx 24\;\rm V$

电磁俘能器在汽车发动机振动时可进行减震并回收能量,结构如图(甲)所示。两对永磁铁随发动机一起上下振动,每对永磁铁间有水平方向的匀强磁场,磁感应强度大小均为$B$,忽略磁场的边缘效应,磁场分界面水平。边长为$L$、总电阻为$r$的单匝正方形线框恰好完全处在磁场中,线框与储能装置连接,且均竖直固定。某时刻,磁场分界面处于线框的水平对称轴上,如图(乙)所示,且永磁铁振动时磁场分界面不会离开线框。

Ⅰ.此时线框磁通量的大小为                 

$\rm A$$0$                $\rm B$$BL^{2}$               $\rm C$$\dfrac{\text{1}}{\text{2}}BL^{2}$   $\rm D$$2BL^{2}$

Ⅱ.现用阻值为$R$的电阻替换储能装置。

①当永磁体以速度$v$竖直向上运动时,线圈中感应电流的方向为                 (选涂:$\rm A$.顺    $\rm B$.逆)时针方向,线框受到的安培力大小为                 

②(计算)当永磁体从图(乙)所示位置开始,向上运动距离$x$$x\lt \dfrac{\text{1}}{\text{2}}L$),求过程中经过电阻$R$的电荷量大小为多少                 

[["$\\rm A$","$\\rm A$","$\\dfrac{4B^{2}L^{2}v}{R+r}$","$\\dfrac{2BLx}{R+r}$"]]

某时刻,磁场分界面处于线框的水平对称轴上,对称轴上下面积相等,由于上下磁场的磁感应强度大小相等,方向相反,可知,此时穿过线圈的磁通量为$0$

故选:$\rm A$

当永磁体以速度$\rm v$竖直向上运动时,线圈相对于磁场向下运动,根据右手定则可知,线圈中感应电流的方向为顺时针方向

故选:$\rm A$

线圈上下两边切割磁感线,产生的感应电动势为$E=2BLv$

产生的感应电流$I=\dfrac{E}{R+r}$

线圈所受安培力$F=2BIL$

解得$F=\dfrac{4B^{2}L^{2}v}{R+r}$

根据电流的定义式有$I=\dfrac{q}{t}$

线圈向上运动的时间$t=\dfrac{x}{v}$

解得$q=\dfrac{2BLx}{R+r}$

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