高中 | 闭合电路的欧姆定律基本问题 题目答案及解析

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高中 | 闭合电路的欧姆定律基本问题题目答案及解析如下,仅供参考!

选修3-1

第二章 恒定电流

2.7 闭合电路的欧姆定律

闭合电路的欧姆定律基本问题

磁铁下落发电

某同学利用图甲所示装置,研究磁铁下落过程中重力势能与电能的转化。螺线管固定在铁架台上,其线圈与电流传感器、电压传感器和滑动变阻器连接,线圈的内阻$r=20\;\rm \Omega$,滑动变阻器最大阻值为$40\;\rm \Omega$,初始时滑片位于变阻器正中间$R=20\;\rm \Omega$的位置。打开传感器,将质量$m=0.01\;\rm kg$的小磁铁,$\rm S$极朝下置于螺线管正上方,由静止起释放,穿过螺线管后落到海绵垫上并静止(磁铁在空中不发生转动且受到的阻力远小于磁铁重力),释放点到海绵垫高度差$h=0.25\;\rm m$。计算机屏幕上显示出,电压传感器读数与电流传感器读数乘积的大小随时间变化的$UI-t$图像,如图乙所示。

磁铁下落的整个过程中,螺线管线圈中磁通量大小的变化情况为$(\qquad)$

["

一直增大

","

先增大后减小

","

先减小再增大

","

先增大后减小再增大再减小

"]
[["B"]]

磁铁靠近线圈时,线圈中的磁场增大,磁通量增大;磁铁远离线圈时,线圈中磁场减小,磁通量减小。故线圈中的磁通量先增大后减小,故$\rm B$正确,$\rm ACD$错误。

故选:$\rm B$

磁铁下落的整个过程中,电流传感器中的电流流向为$(\qquad)$

["

一直从$a$流向$b$

","

一直从$b$流向$a$

","

先从$a$流向$b$再从$b$流向$a$

","

先从$b$流向$a$再从$a$流向$b$

"]
[["C"]]

线圈中的磁通量先增大后减小,且磁场的方向始终向上,根据楞次定律可知,电流传感器中的电流流向为先从$a$流向$b$再从$b$流向$a$,故$\rm C$正确,$\rm ABD$错误。

故选:$\rm C$

(多选)关于图乙中纵坐标$UI$的前后两个峰值,以下说法正确的是$(\qquad)$

["

如果仅略减小$h$,两个峰值都会减小

","

如果仅略减小$h$,两个峰值可能会相等

","

如果仅移动滑片,增大滑动变阻器接入阻值,两个峰值都会减小

","

如果仅移动滑片,增大滑动变阻器接入阻值,两个峰值都会增大

"]
[["AC"]]

$\rm AB$.当$h$减小时,磁铁进入线框的速度减小,导致线框中磁通量的变化率减小,因此两个峰值都会减小,且两个峰值不可能相等,故$\rm A$正确,$\rm B$错误;

$\rm CD$.电源输出功率$P=\dfrac{E^{2}R}{(R+r)^{2}}=\dfrac{E^{2}}{R+\dfrac{r^{2}}{R}+2r}$

当外电阻等于内电阻时,电源的输出功率最大,本题中滑动变阻器的初始位置的阻值与内阻相等,因此增大滑动变阻器阻值,两个峰值都会减小,故$\rm C$正确,$\rm D$错误。

故选:$\rm AC$

磁铁下落的整个过程中,螺线管产生的感应电动势最大值约为                 $\;\rm V$。(结果保留$3$位有效数字)

[["$0.710$$0.693\\sim 0.721$)"]]

$UI-t$曲线可知线圈的最大输出功率为$P_{出}=0.0063\;\rm W$

线圈输出功率表达式为$P_{出}=I^{2}R_{外}$

根据闭合电路欧姆定律得$E=I(r+R_{外})$

联立并将$r=20\;\rm \Omega$$R_{外}=20\;\rm \Omega$代入,解得$E\approx 0.710\;\rm V$

(计算)估算磁铁下降$h=0.25\;\rm m$的过程中,重力势能转化为电能的效率 $\eta$ 为多少?                 (结果保留$3$位有效数字)

[["$1.76\\%$$1.60\\sim 1.92\\%$)"]]

磁铁下落过程中,减少的重力势能$E_{p}=mgh$

$UI-t$图像中图线与横坐标所围面积可知,外电路获得的电能为$E_{外电}=43 \times (0.0005 \times 0.01)\;\rm J=2.15 \times 10^{-4}\;\rm J$

整个电路获得的电能为$E_{总电}=E_{外电}\dfrac{R+r}{R}=4.3 \times 10^{- 4}\;\rm \text{J}$

重力势能转化为电能的效率$\eta=\dfrac{E_{总电}}{E_{p}}100\%$

解得$\eta=\dfrac{E_{外电}(R+r)}{Rmgh} \times 100\%=\dfrac{2.15 \times 10^{- 4} \times (20+20)}{20 \times 0.01 \times 9.8 \times 0.25} \times 100\% \approx 1.76\%$

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