稿件来源:高途
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选修3-2
第四章 电磁感应
4.5 电磁感应现象的两类情况
动生电动势
跑步机是一种健身器材,图甲为一种可测速跑步机的简单原理图。跑步机的底座固定一对间距$L=0.7\;\rm m$、宽度$d=0.3\;\rm m$的平行金属电极,其间充满磁感应强度$B=0.5\;\rm T$、方向垂直纸面向里的匀强磁场,左侧与电压传感器(看成理想电压表)和阻值为$0.5\;\rm \Omega$的电阻$R$连接,绝缘橡胶带上每隔距离$d$就嵌入一个电阻$r=0.2\;\rm \Omega$的平行金属条。跑步机工作时绝缘橡胶带跟随脚步一起运动,金属条与电极接触良好,且任意时刻仅有一根金属条处于磁场中。健身者在一次跑步过程中,电压传感器将其两端的电压$U$即时采集并输入电脑,获得的电压$U$随时间$t$变化的关系图像如图乙所示。
在$t=4.0\;\rm s$时通过电阻$R$的电流方向为 ,电流大小为 $\;\rm A$。
根据右手定则,在$t=4.0\;\rm s$时通过电阻$R$的电流方向为由$a$指向$b$,电流大小为$I=\dfrac{U}{R}= \dfrac{0.6}{0.5}\;\rm A=1.2\;\rm A$,
以跑步机上运动的绝缘橡胶带为参照物
①在$0-4.0\;\rm s$内健身者
$\rm A$向右做匀速直线运动 $\rm B$.向左做匀速直线运动
$\rm C$.向右做匀加速直线运动 $\rm D$.向左做匀加速直线运动
②(计算)写出健身者的运动速率$v$随时间$t$变化的函数式
①由乙图知,电压传感器两端的电压均匀增大,根据$E=BLv$,$U=\dfrac{ER}{R+r}=\dfrac{BLR}{R+ r}v$,知速度均匀增大,则健身者向左做匀加速直线运动。
故选:$\rm D$。
② 当$0\lt t\leqslant 4.0\;\rm s$时,由图乙可知$U=0.15t$
分析电路部分,可得$U=\dfrac{ER}{R+r}$
金属条切割磁感线产生的电动势$E=BLv$
由上面三式,并将已知量代入,可推得$v=0.6t$
当$t\gt 4.0\;\rm s$时,由图乙可知$U=0.6\;\rm V$,保持不变,可以推知电路中的感应电动势保持不变,因而健身者做匀速直线运动$v=2.4\;\rm m/s$
(简答)试问是否可以将图甲中的电压传感器,方便地改制成可以测量跑步速率的速率仪呢?如果可以,请介绍一下方法。
可以,在技术上只要将电压传感器的电压读数($\\rm V$)增至$\\rm 4$倍,获得的数值作为相应的跑步速率($\\rm m/s$)就可以了
"]]根据$U=\dfrac{ER}{R+r}= \dfrac{BLR}{R+r}v$,得$v=\dfrac{R+ r}{BLR}U= 4U$,所以可以改制成测量跑步速率的速率仪,在技术上只要将电压传感器的电压读数($\rm V$)增至$\rm 4$倍,获得的数值作为相应的跑步速率($\rm m/s$)就可以了。
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