高中 | 线框模型 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

线框模型

某学习小组研究线框通过磁场时产生的阻尼与线框形状等因素的关系。光滑绝缘水平面上宽度为$L$的区域内存在竖直向下的匀强磁场,磁感应强度为$B$,一周长为$4L$的线框$abcd$,质量为$m$。①如图所示,线框为正方形时,初速度为$v_{0}$$bc$边平行磁场边界进入磁场,线框离开磁场时的速度是进入磁场时的一半。②线框为矩形,初速度不变,左、右边长为$\dfrac{4}{3}L$。下列说法正确的是$(\qquad)$

["

①情况下线框进入磁场过程安培力的冲量大小为$\\dfrac{3}{4}mv_{0}$

","

①情况下线框穿出磁场过程产生的电热为$\\dfrac{5}{32}mv_{0}^{2}$

","

②情况下线框穿出磁场的速度大小为$\\dfrac{11}{27}v_{0}$

","

②情况下整个过程线框产生的电热为$\\dfrac{4}{9}mv_{0}^{2}$

"]
[["BC"]]

设线框电阻为$R$$bc$边长为$L_{1}$$ab$边长为$L_{2}(L_{2} \leqslant L)$,线框完全进入磁场时速度为$v_{t1}$,线框进入磁场过程中,设某一时刻的速度为$v$,感应电动势$E=BL_{1}v$

感应电流$I=\dfrac{E}{R}=\dfrac{BL_{1}v}{R}$

安培力$F=BIL_{1}=\dfrac{B^{2}L_{1}^{2}v}{R}$

经过一小段时间$\Delta t(\Delta t → 0)$,由动量定理,有$−F\Delta t=m\Delta v$

$- \dfrac{B^{2}L_{1}^{2}v}{R} \times \Delta t=m\Delta v$

线框前进位移$\Delta x=v\Delta t$

求和有$- \dfrac{B^{2}L_{1}^{2}L_{2}}{R}=m\left( v_{t1}-v_{0} \right)$

同理出磁场过程有$- \dfrac{B^{2}L_{1}^{2}L_{2}}{R}=m\left( v_{末}-v_{t1} \right)$

$\rm AB$.①情况下,可得线框完全进入磁场时的速度$v_{t1}=\dfrac{3}{4}v_{0}$

则线框进入磁场过程安培力的冲量大小为$mv_{0}-mv_{t1}=\dfrac{1}{4}mv_{0}$

穿出磁场过程产生的电热为$Q_{电1}=\dfrac{1}{2}mv_{t1}^{2}-\dfrac{1}{2}m\left( \dfrac{v_{0}}{2} \right)^{2}$

解得$Q_{电1}=\dfrac{5}{32}mv_{0}^{2}$$\rm A$错误,$\rm B$正确;

$\rm CD$.②情况下,线框穿出磁场的速度大小为${v'}_{末}=\dfrac{11}{27}v_{0}$

整个过程线框产生的电热为$Q_{电2}=\dfrac{1}{2}mv_{0}^{2}-\dfrac{1}{2}m\left( \dfrac{11v_{0}}{27} \right)^{2}=\dfrac{304}{729}mv_{0}^{2}$$\rm C$正确,$\rm D$错误。

故选:$\rm BC$

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如图所示,宽度的区域内存在匀强磁场,磁感应强度大小,方向垂直纸面向里。一正方形导线框,从距磁场上边界高度处自由下落,其下边刚进入磁场和刚离开磁场时的速度相同。已知线框质量,边长,电阻,取,则 如图所示,光滑绝缘水平面上有两个垂直于水平面的有界匀强磁场,磁场宽度均为,磁场间距也为,Ⅰ、Ⅱ区域的磁感应强度大小分别为、。一质量为、边长为、电阻为的正方形金属线框以某一初速度向右进入磁场Ⅰ,当边刚要离开磁场Ⅱ时线框速度恰好减为,线框运动过程中边始终与磁场边界平行,下列说法正确的是 如图所示,边长、质量、电阻的正方形线框置于光滑水平桌面上,边与匀强磁场边界重合。时刻,线框以初速度进入磁感应强度方向竖直向下的匀强磁场中,方向与磁场边界的夹角,线框恰好能够全部进入匀强磁场。已知匀强磁场的磁感应强度大小为,,,线框进入磁场的过程中,边始终与磁场边界平行,则下列说法正确的是 如图所示,单匝正方形线圈和在外力作用下均以速度向右匀速进入匀强磁场,线圈的边长是的倍,线圈粗细相同,材料相同。在两个线圈完全进入磁场的过程中 如图所示, 、是面积、磁感应强度的大小和方向均完全相同的匀强磁场区域,只是区域比区域离地面高,甲、乙两个完全相同的线圈,在距地面同一高度处同时由静止开始释放顺利穿过磁场,两线圈下落时始终保持线圈平面与磁场垂直,不计空气阻力。下列说法正确的是 如图所示,在水平虚线下方存在方向垂直纸面向外的匀强磁场,水平方向足够宽,竖直方向高度为,磁感应强度大小为。磁场上方某高度处有一个正方形金属线圈,由粗细均匀的金属丝绕制而成,线圈有匝,边长为,总质量为,电阻为。某时刻将线圈以某一初速度水平拖出,线圈进入磁场过程中速度不变,运动过程中线圈始终竖直且底边保持水平,忽略空气阻力,重力加速度大小为,下列说法正确的是
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