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

如图所示,边长$L=0.4\;\rm m$、质量$m=0.2\;\rm kg$、电阻$R=0.1\;\rm \Omega$的正方形线框$abcd$置于光滑水平桌面上,$ad$边与匀强磁场边界$MN$重合。$t=0$时刻,线框以初速度$v_{0}$进入磁感应强度方向竖直向下的匀强磁场中,$v_{0}$方向与磁场边界$MN$的夹角$\theta=53^\circ$,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$1.0\;\rm T$$\sin 53^\circ =0.8$$\cos 53^\circ =0.6$,线框进入磁场的过程中,$ad$边始终与磁场边界平行,则下列说法正确的是$(\qquad)$

["

线框的初速度大小$v_{0}=4\\;\\rm m/s$

","

线框进入磁场过程中最大的加速度大小为$20\\;\\rm m/s^{2}$

","

线框进入磁场的过程中,通过线框导线横截面的电荷量为$0.8\\;\\rm C$

","

线框进入磁场过程中产生的焦耳热为$1.024\\;\\rm J$

"]
[["AD"]]

$\rm A$.线框恰好能够全部进入匀强磁场,表明线框最终沿边界做匀速直线运动,根据动量定理有$- B\overline{I}L\Delta t=0-mv_{0}\sin\theta$

根据闭合电路欧姆定律有$\overline{I}=\dfrac{BL\overline{v_{y}}}{R}$

其中$L=\overline{v_{y}}\Delta t$

解得$v_{0}=4\;\rm m/s$$\rm A$项正确;

$\rm B$.线框刚进入磁场时,感应电动势最大,感应电流最大,则有$I_{\max}=\dfrac{BLv_{0}\sin\theta}{R}$$a_{\max}=\dfrac{BI_{\max}L}{m}$

解得$a_{\max}=25.6\;\rm m/s^{2}$$\rm B$项错误;

$\rm C$.结合上述,$q=\overline{I}\Delta t$

解得$q=1.6\;\rm C$$\rm C$项错误;

$\rm D$.根据能量守恒定律有$Q=\dfrac{1}{2}m{v_{0}}^{2}-\dfrac{1}{2}m{(v_{0}\cos\theta)}^{2}=\dfrac{1}{2}m{(v_{0}\sin\theta)}^{2}=1.024\;\rm \text{J}$$\rm D$项正确。

故选:$\rm AD$

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