Question

【題目】如圖（甲）所示，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直于紙面，在紙面內(nèi)固定一條以O點(diǎn)為圓心、半徑為L的圓弧形金屬導(dǎo)軌，長(zhǎng)也為L的導(dǎo)體棒OA繞O點(diǎn)以角速度ω勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，棒的A端與導(dǎo)軌接觸良好，OA、導(dǎo)軌、電阻R構(gòu)成閉合電路。

（1）試根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律E=n，證明導(dǎo)體棒產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=BωL2。

（2）某同學(xué)設(shè)計(jì)了一種帶有閃爍燈的自行車后輪，如圖（乙）所示，車輪與輪軸之間均勻地連接4根金屬條，每根金屬條中間都串接一個(gè)小燈，阻值為R=0.3Ω并保持不變，車輪半徑r1=0.4m，輪軸半徑可以忽略。車架上固定一個(gè)強(qiáng)磁鐵，可形成圓心角為θ=60°的扇形勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域，磁感應(yīng)強(qiáng)度B=2.0T，方向如圖（乙）所示。若自行車前進(jìn)時(shí)，后輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度恒為ω=10rad/s，不計(jì)其它電阻和車輪厚度。求金屬條ab進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)，ab中感應(yīng)電流的大小和方向。

（3）上問中，已知自行車牙盤半徑r2=12cm，飛輪半徑r3=6cm，如圖（丙）所示。若該同學(xué)騎車時(shí)每分鐘踩踏腳板60圈，車輛和人受到外界阻力的大小恒為10N，他騎10分鐘的時(shí)間內(nèi)一共需要對(duì)自行車做多少功？

Answer 1

【答案】（1）證明見解析；（2）ab中的電流方向?yàn)?/span>b→a，大小為4A；（3）需要對(duì)自行車做功3.42×104J。

【解析】

（1）設(shè)金屬棒OA在Δt時(shí)間內(nèi)掃過的面積為ΔS，則：；

磁通改變量為：ΔΦ=BΔS=

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律得到為：E==

（2）根據(jù)右手定則知：ab中的電流方向?yàn)?/span>b→a，

ab相當(dāng)于電源，電動(dòng)勢(shì)：E===1.6V

只有切割磁感線的部分產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，電路的結(jié)構(gòu)為切割磁感線的部分與其余的部分串聯(lián)，所以電路總電阻為：==0.4Ω

通過ab中的電流：=4A

（3）該同學(xué)騎車時(shí)每分鐘踩踏腳板60圈，則轉(zhuǎn)速：=1r/s

后輪轉(zhuǎn)速：n2=2n1=2r/s，

后輪角速度為：ω=2πn2=2π×2=4πrad/s，

車速為：v=ωr1=4π×0.4=1.6πm/s

電動(dòng)勢(shì)為：

代入數(shù)據(jù)可得：E′=0.64π V

總的電功率為：P總=

代入數(shù)據(jù)可得：P總=W

總的焦耳熱為：Q=

代入數(shù)據(jù)可得：Q=4.04×103J

克服阻力做功為：

代入數(shù)據(jù)可得：J