Question

10．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(shè)點(diǎn)為圓心、半徑為L(zhǎng)的圓弧形金屬導(dǎo)軌，長(zhǎng)也為L(zhǎng)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$\frac{△ϕ}{△t}$，證明導(dǎo)體棒產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E=$\frac{1}{2}$BωL²．
（2）某同學(xué)設(shè)計(jì)了一種帶有閃爍燈的自行車(chē)后輪，如圖（乙）所示．車(chē)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(chē)輪半徑r₁=0.4m，輪軸半徑可以忽略．車(chē)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(chē)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(chē)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(wèn)中，已知自行車(chē)牙盤(pán)半徑r₂=12cm，飛輪半徑r₃=6cm，如圖（丙）所示．若該同學(xué)騎車(chē)時(shí)每分鐘踩踏腳板60圈，車(chē)輛和人受到外界阻力的大小恒為10N，他騎車(chē)10分鐘的時(shí)間內(nèi)一共需要對(duì)自行車(chē)做多少功？

Answer 1

分析 （1）根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律證明；
（2）根據(jù)右手定則判定感應(yīng)電流的方向，由法拉第電磁感應(yīng)定律求感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小從而得出感應(yīng)電流的大��；
（3）根據(jù)能量守恒定律求解動(dòng)力所做的功，關(guān)鍵是求出焦耳熱；

解答 解：（1）設(shè)金屬棒OA在△t時(shí)間內(nèi)掃過(guò)的面積為△S，則：$△S=\frac{1}{2}•θ{L^2}=\frac{1}{2}ω{L^2}△t$
磁通改變量為：$△ϕ=B•△S=\frac{1}{2}Bω{L^2}•△t$
根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律得到為：$E=n\frac{△ϕ}{△t}=\frac{1}{2}Bω{L^2}$
（2）根據(jù)右手定則知：ab中的電流方向?yàn)閎→a，ab相當(dāng)于電源，電動(dòng)勢(shì)：
$E=\frac{1}{2}Bω{L^2}=\frac{1}{2}×2.0×10×{0.4^2}$=1.6V               
電路總電阻為：${R_總}(cāng)=\frac{R}{3}+R=\frac{4R}{3}$=0.4Ω                                     
通過(guò)ab中的電流：$I=\frac{E}{R_總}(cāng)=\frac{1.6}{0.4}$=4A                               
（3）后輪轉(zhuǎn)速n=2r/s，后輪角速度為：ω=4π rad/s，
車(chē)速為：v=r₁ω=1.6πm/s                                              
電動(dòng)勢(shì)為：$E=\frac{1}{2}Bωr_1^2$=0.64π V，
總的電功率為：P_總=$\frac{E^2}{R_總}(cāng)$=$\frac{128}{125}{π^2}$W             
總的焦耳熱為：Q=P_總（$\frac{2}{3}$t）=409.6π²=4.04×10³J                             
克服阻力做功為：W_f=F_f•s=F_f•vt=3.016×10⁴J                            
一共需要做功為：W_總=W_f+Q=3.42×10⁴J；                                  
答：（1）證明如上所述；
（2）金屬條ab進(jìn)入磁場(chǎng)時(shí)，ab中感應(yīng)電流的大小4A和方向b→a；
（3）騎車(chē)10分鐘的時(shí)間內(nèi)一共需要對(duì)自行車(chē)做3.42×10⁴J．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了電磁感應(yīng)和恒定電路的知識(shí)，設(shè)計(jì)問(wèn)題從容易入手，層層遞進(jìn)，較好地把握了試題的難度和區(qū)分度．