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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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

将舰载机电磁阻拦着舰简化为如图所示的模型。电阻不计、间距为$L$的平行金属轨道固定在水平面内,轨道左端连接阻值为$R$的电阻。阻值为$r$、质量不计的导体棒$ab$垂直放置于轨道。整个装置处在垂直导轨平面、磁感应强度为$B$的匀强磁场中。质量为$m$的舰载机着舰后勾住$ab$棒,使其与导体棒具有共同速度$v_{0}$,舰载机立即关闭发动机,开始减速直至停止。$ab$棒与轨道始终接触良好且垂直于轨道。

在减速过程中,$ab$棒上的感应电流方向为                 

[["$b→a$"]]

根据题意,导体棒$ab$向右运动,磁场垂直导轨平面向里,根据右手定则可得$ab$棒上的感应电流方向为$b$$a$

$ab$棒速度为$v_{0}$时,棒两端的电压为                 

[["$\\dfrac{BLv_{0}R}{R+r}$"]]

$ab$棒速度为$v_{0}$时,产生的感应电动势为$E=BLv_{0}$

电路中$R$$r$串联,根据闭合电路欧姆定律$I=\dfrac{E}{R+r}$

棒两端的电压为$U=IR$

联立解得$U=\dfrac{BLv_{0}R}{R+r}$

若不计阻力,求整个减速过程中,电阻$R$上产生的热量                 。(计算)

[["$\\dfrac{Rmv_{0}^{2}}{2(R+r)}$"]]

若不计阻力,求整个减速过程中,舰载机和导体棒的动能最终全部转化为电路中的焦耳热。舰载机和导体棒开始时的动能为$E_{\text{k}}=\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}$

得电路中产生的总热量为$Q=E_{\text{k}}=\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}$

根据串联电路中热量分配关系为$\dfrac{Q_{\text{R}}}{Q_{\text{r}}}=\dfrac{R}{r}$

$Q=Q_{\rm R}+Q_{\rm r}$

联立解得电阻$R$上产生的热量为$Q_{\text{R}}=\dfrac{R}{R+r}Q=\dfrac{Rmv_{0}^{2}}{2(R+r)}$

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