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, $A$$B$是面积、磁感应强度的大小和方向均完全相同的匀强磁场区域,只是$A$区域比$B$区域离地面高,甲、乙两个完全相同的线圈,在距地面同一高度处同时由静止开始释放顺利穿过磁场,两线圈下落时始终保持线圈平面与磁场垂直,不计空气阻力。下列说法正确的是$(\qquad)$

["

两线圈穿过磁场的过程中产生的热量相等

","

两线圈穿过磁场的过程中通过线圈横截面的电荷量不相等

","

两线圈落地时乙的速度较大

","

甲线圈运动时间较长,乙线圈先落地

"]
[["D"]]

$\rm A$.由法拉第电磁感应定律,欧姆定律及安培力公式有$E=BLv$$i=\dfrac{E}{R}$$F=BiL$

可得$F=\dfrac{B^{2}L^{2}v}{R}$

由于乙进入磁场时的速度较大,则安培力较大,克服安培力做的功较多,即产生的焦耳热较多,故$\rm A$错误;

$\rm B$.由电流定义式结合法拉第电磁感应定律有$q=I\Delta t=\dfrac{\Delta\Phi}{R\Delta t}\Delta t=\dfrac{\Delta\Phi}{R}=\dfrac{B\Delta S}{R}$

可知通过线圈横截面的电荷量相等,故$\rm B$错误;

$\rm C$.由于甲、乙减少的重力势能相同,甲穿过磁场的过程中产生的热量较少,由能量守恒定律可知,甲落地时速度较大,故$\rm C$错误;

$\rm D$.线圈穿过磁场区域时受到的安培力为变力,设受到的平均安培力为$\overline{F}$,穿过磁场时间为$\Delta t$,下落全过程时间为$t$,落地时的速度为$v$,则全过程由动量定理得$mgt-\overline{F}\Delta t=mv$

$\overline{F}\Delta t=BIL\Delta t$$I=\dfrac{\Delta\Phi}{\Delta tR}$

所以$\overline{F}\Delta t=\dfrac{BL\Delta\Phi}{R}$

可见,下落过程中两线圈所受安培力的冲量相等,又因为甲落地的速度大于乙落地的速度$v_{乙} \lt v_{甲}$,说明甲重力作用的时间更长,所以$t_{乙} \lt t_{甲}$

即乙运动时间较短,先落地,故$\rm D$正确。

故选:$\rm D$

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