高中 | 电势差与电场强度的关系 题目答案及解析

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选修3-1

第一章 静电场

1.6 电势差与电场强度的关系

电势差与电场强度的关系

远距离输电设备将电能送到千家万户,掌握安全、合理用电的常识,使生活更美好。

电力部门在很多高压电线塔上都设置了“高压危险”等警示标语。$220\;\rm kV$的单根输电线水平方向架设,离地高$25\;\rm m$。研究人员在水平地面上沿垂直输电线地面投影的方向建立$x$轴,如图($a$)所示。研究人员测量了$x$轴上$0\sim70\;\rm m$区间内的水平电场分布,如图($b$)所示。

①设$x=10\;\rm m$处电场强度大小为$E_{1}$$x=20\;\rm m$处电场强度大小为$E_{2}$,从图($b$)可得:$\dfrac{E_{1}}{E_{2}} =$                 (结果保留$2$位有效数字);

$x$轴上$30\;\rm m\sim40\;\rm m$内电势差约为                 $\;\rm V$(结果保留$2$位有效数字);

[["$2.1$","$9.6\\times 10^{2}$"]]

由图可知,当$x=10\;\rm m$时,电场强度为$E_{1}=0.96\;\rm kV/m$

$x=20\;\rm m$时,电场强度为$E_{2}=0.46\;\rm kV/m$

所以$\dfrac{E_{1}}{E_{2}}=2.1$

图线与坐标轴所围区域的面积表示电势差,所以$x$轴上$30\;\rm m\sim40\;\rm m$内电势差约为$U=12 \times 2 \times 0.04 \times 10^{3}\;\rm V=9.6 \times 10^{2}\;\rm V$

如图($a$)所示,在匀强磁场中单匝正方形线圈$abcd$$OO'$轴逆时针(沿$OO'$方向看)匀速转动,设沿$abcda$方向为电流正方向。线圈中产生的正弦交流电随时间变化的图像如图($b$)所示。已知磁感应强度大小为$0.2T$,线圈电阻为$10\;\rm \Omega$

①线圈转动过程中,线圈转到图($a$)位置时对应图($b$)中的时刻为             

$\rm A$$0.05\;\rm s$      $\rm B$$0.1\;\rm s$      $\rm C$$0.15\;\rm s$      $\rm D$$0.2\;\rm s$

②根据图($b$)中的信息,可得线圈边长$L=$                 $\;\rm m$(结果保留$2$位有效数字),在$0\sim0.2\;\rm s$内线圈产生的热量$Q=$                 $\;\rm J$

[["$\\rm D$","$2.1$","$8$"]]

线圈转到图($a$)位置时,穿过线圈的磁通量达到最大,磁通量的变化率为零,感应电动势为零,感应电流为零,根据楞次定律可知,之后感应电流沿正方向,所以对应图($b$)中的$0.2\;\rm s$

故选:$\rm D$

根据图($b$)可得$I_{\rm {m}}=2\sqrt{2}\;\rm {A}$$T=0.2\;\rm s$

根据$I_{\rm {m}}=\dfrac{E_{\rm {m}}}{R}=\dfrac{BL^{2}\omega}{R}$$\omega=\dfrac{2\pi}{T}$

代入数据解得$L=\sqrt{\dfrac{10\sqrt{2}}{\pi}}\rm {m}={2.1\rm m}$

$0\sim0.2\;\rm s$内线圈产生的热量为$Q={(\dfrac{I_{\rm {m}}}{\sqrt{2}})}^{2}Rt=8\;\rm{J}$

小敬同学用如图所示的电路测量家里电热毯的电阻,其中电源电压为$12\;\rm V$(电源内阻不计),滑动变阻器最大阻值为$20\;\rm \Omega$$R_{x}$为电热毯的等效电阻。小敬不论如何调整滑动变阻器滑片的位置,电流传感器和电压传感器的示数变化都极小。检查确认电路连接无误,各元件均完好。

①通过上述现象判断电热毯的额定电压和电功率可能为             

$\rm A$$12\;\rm V$$7.2\;\rm W$      $\rm B$$12\;\rm V$$50\;\rm W$      $\rm C$$220\;\rm V$$60\;\rm W$      $\rm D$$220\;\rm V$$800\;\rm W$

②在不更换实验器材的前提下,为能对电热毯的电阻进行多次测量,请在上述电路中增添导线                 

[["$\\rm C$","见解析"]]

家用电热毯的额定电压等于$220\;\rm V$,且不论如何调整滑动变阻器滑片的位置,电流传感器和电压传感器的示数变化都极小,说明电热毯的阻值较大,则额定功率较小。

故选:$\rm C$

在不更换实验器材的前提下,为能对电热毯的电阻进行多次测量,即滑动变阻器应采用分压接法,电路如图所示

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