高中 | 含源单棒模型 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

含源单棒模型

两根长直光滑平行金属导轨固定在绝缘水平桌面上,导轨间距为$L$,空间存在垂直于导轨平面向下、磁感应强度为$B$的匀强磁场,俯视角度如图所示。导轨左端通过单刀双掷开关与电源、电容器相连,电源电动势为$E$(内阻不计),电容器的电容为$C$。将质量为$m$,电阻为$R$的导体棒垂直放置在导轨上,先将开关接到$a$,待电容充电结束后将开关换接到$b$。忽略导线和导轨电阻,且不考虑电磁辐射及回路中电流产生的磁场,下列说法正确的是$(\qquad)$

["

导体棒加速度的最大值为$\\dfrac{BLE}{MR}$

","

导体棒能够达到的最大速度为$\\dfrac{E}{BL}$

","

导体棒从开始运动至达到最大速度的过程中,通过导体棒横截面积的电荷量为$\\dfrac{CmE}{{{B}^{2}}{{L}^{2}} C+m}$

","

导体棒达到最大速度时,电容器极板间的电压为$\\dfrac{BLE}{{{B}^{2}}{{L}^{2}} C+m}$

"]
[["AC"]]

$\rm A$.充电后,电容器电压为$E$。开关接到“$a$”时导体棒速度为$0$,电容器两端电压的最大值为$E$,导体棒中电流最大为$I_{\rm m}$,导体棒所受安培力的最大值为$F_{\rm m}$,加速度最大设为$a_{\rm m}$,故${{I}_{\text{m}}}=\dfrac{E}{R}$${{F}_{\text{m}}}={{I}_{\text{m}}}LB$${{F}_{\text{m}}}=m{{a}_{\text{m}}}$

解得${{a}_{\text{m}}}=\dfrac{BEL}{mR}$,故$\rm A$正确;

$\rm BCD$.导体棒达到最大速度$v_{\rm m}$时,电路中电流为$0$,电容器两端电压为$U$,电容器放出的电荷量为$\Delta Q$,导体棒达到最大速度时,电容器两端电压等于金属杆切割磁感线产生的感应电动势$U=BL{{v}_{\text{m}}}$

故电容器放电量为$\Delta Q=C(E-U)$

由动量定理$\sum{I}LB\Delta t=m{{v}_{\text{m}}}$

$\sum{I}\Delta t=\Delta Q$

解得${{v}_{\text{m}}}=\dfrac{CEBL}{{{B}^{2}}{{L}^{2}}C+m}$$\Delta Q=\dfrac{CmE}{{{B}^{2}}{{L}^{2}} C+m}$$U=\dfrac{CE{{B}^{2}}{{L}^{2}}}{{{B}^{2}}{{L}^{2}}C+m}$,故$\rm BD$错误,$\rm C$正确。

故选:$\rm AC$

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如图所示,两根光滑平行直导轨、固定在同一水平面内,间距为,导轨的左端接有电源电动势,内阻 。一质量为,电阻为的导体棒垂直于导轨放置。空间存在斜向右上方且与轨道平面成角的匀强磁场,匀强磁场方向与导体棒垂直,磁感应强度为。求: 如图所示,两平行光滑导轨、''左端通过导线与电源和不带电电容器相连,导轨平面水平且处于竖直向下的匀强磁场中,有一定阻值的导体棒垂直导轨处于静止状态。现将开关与闭合,当棒达到稳定运动状态后与闭合,导轨足够长,电源内阻不计。则 、为水平放置、间距为的平行导轨,左端接有如图所示的电路。电源的电动势为,内阻为;小灯泡的电阻为,滑动变阻器接入电路的阻值为。将导体棒静置于导轨上,整个装置在匀强磁场中,磁感应强度大小为,方向与导体棒垂直且与水平导轨平面的夹角;导体棒质量为,接入电路部分的阻值为,闭合开关后,导体棒恰好未滑动。若最大静摩擦力等于滑动摩擦力,且不计导轨的电阻,,,重力加速度取,则 光滑的水平长直轨道放在匀强磁场中,轨道宽,一导体棒长也为,质量,电阻静止在导轨上,它与导轨接触良好。当开关与接通时,电源可提供恒定的电流,电流方向可根据需要进行改变,开关与接通时,电阻,若开关的切换与电流的换向均可在瞬间完成,求: 导轨式电磁炮的原理结构示意图如图所示。两根平行长直金属导轨沿水平方向固定,其间安放炮弹。炮弹可沿导轨无摩擦滑行,且始终与导轨保持良好接触。可控电源提供的强大电流从一根导轨流入,经过炮弹,再从另一导轨流回电源,炮弹被导轨中的电流形成的磁场推动而发射。在发射过程中,炮弹所在位置的磁场可以简化为磁感应强度大小为的垂直于平行导轨的匀强磁场。已知两导轨内侧间距为,炮弹的质量为,炮弹获得的速度为。不计空气阻力,下列说法正确的是 如图所示,在竖直向下的磁感应强度为的匀强磁场中,两根足够长的平行光滑金属轨道、固定在水平面内,相距为.一质量为、电阻的导体棒垂直于、放在轨道上,与轨道接触良好。若轨道左端接一电动势为、内阻为的电源和一阻值的电阻。轨道左端点接一单刀双掷开关,轨道的电阻不计。求:
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