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专题强化二十三 电磁感应中的电路及图像问题
目标要求 1.掌握电磁感应中电路问题的求解方法.2.会计算电磁感应电路问题中电压、电
流、电荷量、热量等物理量.3.能够通过电磁感应图像,读取相关信息,应用物理规律求解问
题.
题型一 电磁感应中的电路问题
1.电磁感应中的电源
(1)做切割磁感线运动的导体或磁通量发生变化的回路相当于电源.
电动势:E=Blv 或E=n,这部分电路的阻值为电源内阻.
(2)用右手定则或楞次定律与安培定则结合判断,感应电流流出的一端为电源正极.
2.分析电磁感应电路问题的基本思路
3.电磁感应中电路知识的关系图
考向1 感生电动势的电路问题
例1 如图所示,单匝正方形线圈A 边长为0.2 m,线圈平面与匀强磁场垂直,且一半处在
磁场中,磁感应强度随时间变化的规律为B=(0.8-0.2t) T.开始时开关S 未闭合,R1=4
Ω,R2=6 Ω,C=20 μF,线圈及导线电阻不计.闭合开关S,待电路中的电流稳定后.求:
(1)回路中感应电动势的大小;
1
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(2)电容器所带的电荷量.
答案 (1)4×10-3 V (2)4.8×10-8 C
解析 (1)由法拉第电磁感应定律有E=S,S=L2,代入数据得E=4×10-3 V
(2)由闭合电路的欧姆定律得I=,由部分电路的欧姆定律得U=IR2,电容器所带电荷量为Q
=CU=4.8×10-8 C.
考向2 动生电动势的电路问题
例2 (多选)如图所示,光滑的金属框CDEF 水平放置,宽为L,在E、F 间连接一阻值为
R 的定值电阻,在C、D 间连接一滑动变阻器R1(0≤R1≤2R).框内存在着竖直向下的匀强磁
场.一长为L、电阻为R 的导体棒AB 在外力作用下以速度v 匀速向右运动.金属框电阻不
计,导体棒与金属框接触良好且始终垂直,下列说法正确的是( )
A.ABFE 回路的电流方向为逆时针,ABCD 回路的电流方向为顺时针
B.左右两个闭合区域的磁通量都在变化且变化率相同,故电路中的感应电动势大小为
2BLv
C.当滑动变阻器接入电路中的阻值R1=R 时,导体棒两端的电压为BLv
D.当滑动变阻器接入电路中的阻值R1=时,滑动变阻器的电功率为
答案 AD
解析 根据楞次定律可知,ABFE 回路电流方向为逆时针,ABCD 回路电流方向为顺时针,
故A 正确;根据法拉第电磁感应定律可知,感应电动势E=BLv,故B 错误;当R1=R 时,
外电路总电阻R 外=,因此导体棒两端的电压即路端电压应等于BLv,故C 错误;该电路电
动势E=BLv,电源内阻为R,当滑动变阻器接入电路中的阻值R1=时,干路电流为I=,滑
动变阻器所在支路电流为I,容易求得滑动变阻器电功率为,故D 正确.
例3 (多选)一种带有闪烁灯的自行车后轮结构如图所示,车轮与轮轴之间均匀地连接4 根
金属条,每根金属条中间都串接一个小灯,每个小灯阻值恒为R=0.3 Ω,金属条与车轮金
属边框构成闭合回路,车轮半径r=0.4 m,轮轴半径可以忽略.车架上固定一个强磁铁,可
形成圆心角θ=60°的扇形匀强磁场区域,磁感应强度B=2.0 T,方向如图所示,若自行车正
常前进时,后轮顺时针转动的角速度恒为ω=10 rad/s,不计其他电阻和车轮厚度,下列说
法正确的是( )
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A.金属条ab 进入磁场时,a 端电势高于b 端电势
B.金属条ab 进入磁场时,ab 间的电压为0.4 V
C.运动过程中流经灯泡的电流方向一直不变
D.自行车正常前进时,4 个小灯总功率的平均值为 W
答案 ABD
解析 当金属条ab 进入磁场时,金属条ab 相当于电源,由右手定则可知,电流从b 流向
a,故a 端电势高于b 端电势,故A 正确;E=Br2ω=1.6 V,由等效电路图(如图)可知R 总=
+R=R,Uab=·=0.4 V,I==4 A,故B 正确;设车轮运动一周的时间为T,则每根金属条
充当电源的时间为t=T=,则车轮运动一周电路中有电源的时间为t′=4t=T,可知一个周
期内,4 个小灯总功率的平均值为P=EI= W,则自行车正常前进时,4 个小灯总功率的平
均值为 W,故D 正确;当金属条在磁场中时,该金属条中流经灯泡的电流方向为从车轮边
框流向轮轴,当该金属条在磁场外时,电流方向由轮轴流向车轮边框,故C 错误.
题型二 电磁感应中电荷量的计算
计算电荷量的导出公式:q=n
在电磁感应现象中,只要穿过闭合回路的磁通量发生变化,闭合回路中就会产生感应电流,
设在时间Δt 内通过导体横截面的电荷量为q,则根据电流定义式=及法拉第电磁感应定律
=n,得q=Δt=Δt=Δt=,即q=n.
例4 在竖直向上的匀强磁场中,水平放置一个不变形的单匝金属圆线圈,线圈所围的面
积为0.1 m2,线圈电阻为1 Ω.规定线圈中感应电流I 的正方向从上往下看是顺时针方向,如
图甲所示.磁场的磁感应强度B 随时间t 的变化规律如图乙所示.以下说法正确的是( )
A.在0~2 s 时间内,I 的最大值为0.02 A
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B.在3~5 s 时间内,I 的大小越来越小
C.前2 s 内,通过线圈某横截面的总电荷量为0.01 C
D.第3 s 内,线圈的发热功率最大
答案 C
解析 0~2 s 时间内,t=0 时刻磁感应强度变化率最大,感应电流最大,I===0.01 A,A
错误;3~5 s 时间内电流大小不变,B 错误;前2 s 内通过线圈的电荷量q===0.01 C,C
正确;第3 s 内,B 没有变化,线圈中没有感应电流产生,则线圈的发热功率最小,D 错误.
例5 (2018·全国卷Ⅰ·17)如图,导体轨道OPQS 固定,其中PQS 是半圆弧,Q 为半圆弧的
中点,O 为圆心.轨道的电阻忽略不计.OM 是有一定电阻、可绕O 转动的金属杆,M 端位
于PQS 上,OM 与轨道接触良好.空间存在与半圆所在平面垂直的匀强磁场,磁感应强度的
大小为B.现使OM 从OQ 位置以恒定的角速度逆时针转到OS 位置并固定(过程Ⅰ);再使磁
感应强度的大小以一定的变化率从B 增加到B′(过程Ⅱ).在过程Ⅰ、Ⅱ中,流过OM 的电
荷量相等,则等于( )
A. B. C. D.2
答案 B
解析 在过程Ⅰ中,根据法拉第电磁感应定律,有
E1==,根据闭合电路的欧姆定律,有I1=,且q1=I1Δt1
在过程Ⅱ中,有E2==
I2=,q2=I2Δt2
又q1=q2,即=
所以=,故选B.
题型三 电磁感应中的图像问题
1.解题关键
弄清初始条件、正负方向的对应变化范围、所研究物理量的函数表达式、进出磁场的转折点
等是解决此类问题的关键.
2.解题步骤
(1)明确图像的种类,即是B-t 图还是Φ-t 图,或者E-t 图、I-t 图等;对切割磁感线产生
感应电动势和感应电流的情况,还常涉及E-x 图像和i-x 图像;
(2)分析电磁感应的具体过程;
(3)用右手定则或楞次定律确定方向的对应关系;
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(4)结合法拉第电磁感应定律、闭合电路的欧姆定律、牛顿运动定律等知识写出相应的函数
关系式;
(5)根据函数关系式,进行数学分析,如分析斜率的变化、截距等;
(6)画图像或判断图像.
3.常用方法
(1)排除法:定性地分析电磁感应过程中物理量的正负,增大还是减小,以及变化快慢,来
排除错误选项.
(2)函数法:写出两个物理量之间的函数关系,然后由函数关系对图像进行分析和判断.
考向1 感生问题的图像
例6 (多选)(2023·江西省宜春实验中学质检)如图甲所示,正方形线圈abcd 内有垂直于线
圈的匀强磁场,已知线圈匝数n=10,边长ab=1 m,线圈总电阻r=1 Ω,线圈内磁感应强
度随时间的变化情况如图乙所示.设图示的磁场方向与感应电流方向为正方向,则下列有关
线圈的电动势e、感应电流i、焦耳热Q 以及ab 边的安培力F(取向下为正方向)随时间t 的变
化图像正确的是( )
答案 CD
解析 0~1 s 内产生的感应电动势为e1==2 V,方向为逆时针,同理1~5 s 内产生的感应
电动势为e2=1 V,方向为顺时针,A 错误;0~1 s 内的感应电流大小为i1==2 A,方向为
逆时针(负值),同理1~5 s 内的感应电流大小为i2=1 A,方向为顺时针(正值),B 错误;ab
边受到的安培力大小为F=nBiL,可知0~1 s 内0≤F≤4 N,方向向下,1~3 s 内0≤F≤2
N,方向向上,3~5 s 内0≤F≤2 N,方向向下,C 正确;线圈产生的焦耳热为Q=eit,0~1
s 内产生的热量为4 J,1~5 s 内产生的热量为4 J,D 正确.
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考向2 动生问题的图像
例7 如图所示,将一均匀导线围成一圆心角为90°的扇形导线框OMN,圆弧MN 的圆心
为O 点,将O 点置于直角坐标系的原点,其中第二和第四象限存在垂直纸面向里的匀强磁
场,其磁感应强度大小为B,第三象限存在垂直纸面向外的匀强磁场,磁感应强度大小为
2B.t=0 时刻,让导线框从图示位置开始以O 点为圆心沿逆时针方向做匀速圆周运动,规定
电流方向ONM 为正,在下面四幅图中能够正确表示电流i 与时间t 关系的是( )
答案 C
解析 在0~t0时间内,线框沿逆时针方向从题图所示位置开始(t=0)转过90°的过程中,产
生的感应电动势为E1=BωR2,由闭合电路的欧姆定律得,回路中的电流为I1==,根据楞
次定律判断可知,线框中感应电流方向为逆时针方向(沿ONM 方向).在t0~2t0时间内,线
框进入第三象限的过程中,回路中的电流方向为顺时针方向(沿OMN 方向),回路中产生的
感应电动势为E2=Bω·R2+·2BωR2=BωR2=3E1,感应电流为I2=3I1.在2t0~3t0时间内,线框
进入第四象限的过程中,回路中的电流方向为逆时针方向(沿ONM 方向),回路中产生的感
应电动势为E3=Bω·R2+·2Bω·R2=BωR2=3E1,感应电流为I3=3I1,在3t0~4t0时间内,线框
出第四象限的过程中,回路中的电流方向为顺时针方向(沿OMN 方向),回路中产生的感应
电动势为E4=BωR2,回路电流为I4=I1,故C 正确,A、B、D 错误.
例8 (多选)(2020·山东卷·12)如图所示,平面直角坐标系的第一和第二象限分别存在磁感
应强度大小相等、方向相反且垂直于坐标平面的匀强磁场,图中虚线方格为等大正方形.一
位于Oxy 平面内的刚性导体框abcde 在外力作用下以恒定速度沿y 轴正方向运动(不发生转
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动).从图示位置开始计时,4 s 末bc 边刚好进入磁场.在此过程中,导体框内感应电流的
大小为I, ab 边所受安培力的大小为Fab,二者与时间t 的关系图像可能正确的是( )
答案 BC
解析 设虚线方格的边长为x,根据题意知abcde 每经过1 s 运动的距离为x.在0~1 s 内,感
应电动势E1=2Bxv,感应电流I1=恒定;在1~2 s 内,切割磁感线的有效长度均匀增加,故
感应电动势及感应电流随时间均匀增加,2 s 时感应电动势E2=3Bxv,感应电流I2=;在2~
4 s 内,切割磁感线的有效长度均匀减小,感应电动势和感应电流均匀减小,4 s 时感应电动
势E3=Bxv,感应电流I3=,故A 错误,B 正确.由题意可知,在0~4 s 内,ab 边进入磁场
的长度l=vt,根据F=BIl,在0~1 s 内,I=恒定,则Fab=BI1·vt=t∝t;在1~2 s 内,电流
I 随时间均匀增加,切割磁感线的有效长度l′=[2x+v(t-1)]∝t,据F=IlB 可知Fab与t 为
二次函数关系,图线是抛物线的一部分,且t=2 s 时,Fab=;在2~4 s 内,I 随时间均匀减
小,切割磁场的有效长度l″=3x-v(t-2)=5x-vt 随时间均匀减小,故Fab与t 为二次函数
关系,有极大值,当t=4 s 时,Fab=,故C 正确,D 错误.
课时精练
1.如图所示是两个相互连接的金属圆环,小金属环的电阻是大金属环电阻的二分之一,匀强
磁场垂直穿过大金属环所在区域,当磁感应强度随时间均匀变化时,在大环内产生的感应电
动势为E,则a、b 两点间的电势差为( )
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A.E B.E C.E D.E
答案 B
解析 a、b 间的电势差等于路端电压,而小环电阻占电路总电阻的,故a、b 间电势差为U
=E,选项B 正确.
2.如图甲所示,在线圈l1中通入电流i1后,在l2上产生的感应电流随时间变化的规律如图
乙所示,l1、l2中电流的正方向如图甲中的箭头所示.则通入线圈l1中的电流i1随时间t 变化
的图像是图中的( )
答案 D
解析 因为l2中感应电流大小不变,根据法拉第电磁感定律可知,l1中磁场的变化是均匀的,
即l1中电流的变化也是均匀的,A、C 错误;根据题图乙可知,0~时间内l2中的感应电流产
生的磁场方向向左,所以线圈l1中感应电流产生的磁场方向向左并且减小,或方向向右并且
增大,B 错误,D 正确.
3.(多选)(2023·广东省华南师大附中模拟)如图所示,在磁感应强度大小为B、方向竖直向下
的匀强磁场中,有两根光滑的平行导轨,间距为L,导轨两端分别接有电阻R1和R2,导体
棒以某一初速度从ab 位置向右运动距离x 到达cd 位置时,速度为v,产生的电动势为E,
此过程中通过电阻R1、R2的电荷量分别为q1、q2.导体棒有电阻,导轨电阻不计.下列关系
式中正确的是( )
A.E=BLv
B.E=2BLv
C.q1=
D.=
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答案 AD
解析 导体棒做切割磁感线的运动,速度为v 时产生的感应电动势E=BLv,故A 正确,B
错误;设导体棒的电阻为r,根据法拉第电磁感应定律得==,根据闭合电路欧姆定律得=,
通过导体棒的电荷量为q=Δt,导体棒相当于电源,电阻R1和R2并联,则通过电阻R1和R2
的电流之比=,通过电阻R1、R2的电荷量之比==,结合q=q1+q2,解得q1=,故C 错误,
D 正确.
4.(多选)如图甲所示,单匝正方形线框abcd 的电阻R=0.5 Ω,边长L=20 cm,匀强磁场垂
直于线框平面向里,磁感应强度的大小随时间变化规律如图乙所示,则下列说法中正确的是
( )
A.线框中的感应电流沿逆时针方向,大小为2.4×10-2 A
B.0~2 s 内通过ab 边横截面的电荷量为4.8×10-2 C
C.3 s 时ab 边所受安培力的大小为1.44×10-2 N
D.0~4 s 内线框中产生的焦耳热为1.152×10-3 J
答案 BD
解析 由楞次定律判断感应电流为顺时针方向,由法拉第电磁感应定律得电动势E=S=
1.2×10-2 V,感应电流I==2.4×10-2 A,故选项A 错误;电荷量q=IΔt,解得q=4.8×
10-2 C,故选项B 正确;安培力F=BIL,由题图乙得,3 s 时B=0.3 T,代入数值得:F=
1.44×
10-3 N,故选项C 错误;由焦耳定律得Q=I2Rt,代入数值得Q=1.152×10-3 J,故D 选项
正确.
5.在水平光滑绝缘桌面上有一边长为L 的正方形线框abcd,被限制在沿ab 方向的水平直轨
道上自由滑动.bc 边右侧有一正直角三角形匀强磁场区域efg,直角边ge 和ef 的长也等于
L,磁场方向竖直向下,其俯视图如图所示,线框在水平拉力作用下向右以速度v 匀速穿过
磁场区,若图示位置为t=0 时刻,设逆时针方向为电流的正方向.则感应电流i-t 图像正
确的是(时间单位为)( )
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答案 D
解析 bc 边的位置坐标x 从0~L 的过程中,根据楞次定律判断可知线框中感应电流方向沿
a→b→c→d→a,为正值.线框bc 边有效切线长度为l=L-vt,感应电动势为E=Blv=B(L
-vt)·v,随着t 均匀增加,E 均匀减小,感应电流i=,即知感应电流均匀减小.同理,x 从
L~2L 的过程中,根据楞次定律判断出感应电流方向沿a→d→c→b→a,为负值,感应电流
仍均匀减小,故A、B、C 错误,D 正确.
6.(2023·重庆市巴蜀中学高三月考)如图所示,线圈匝数为n,横截面积为S,线圈电阻为R,
处于一个均匀增强的磁场中,磁感应强度随时间的变化率为k,磁场方向水平向右且与线圈
平面垂直,电容器的电容为C,两个电阻的阻值均为2R.下列说法正确的是( )
A.电容器上极板带负电
B.通过线圈的电流大小为
C.电容器所带的电荷量为
D.电容器所带的电荷量为
答案 D
解析 由楞次定律和右手螺旋定则知,电容器上极板带正电,A 错误;因E=nkS,I==,
B 错误;又U=I×2R=,Q=CU=,C 错误,D 正确.
7.(2023·山东省模拟)如图甲所示,一长为L 的导体棒,绕水平圆轨道的圆心O 匀速顺时针
转动,角速度为ω,电阻为r,在圆轨道空间存在有界匀强磁场,磁感应强度大小为B.半径
小于的区域内磁场竖直向上,半径大于的区域内磁场竖直向下,俯视图如图乙所示,导线一
端Q 与圆心O 相连,另一端P 与圆轨道连接给电阻R 供电,其余电阻不计,则( )
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A.电阻R 两端的电压为
B.电阻R 中的电流方向向上
C.电阻R 中的电流大小为
D.导体棒的安培力做功的功率为0
答案 C
解析 半径小于的区域内,E1=B·=,半径大于的区域,E2=B·=,根据题意可知,两部分
电动势相反,故总电动势E=E2-E1=,根据右手定则可知圆心为负极,圆环为正极,电阻
R 中的电流方向向下,电阻R 上的电压U=E=,故A、B 错误;电阻R 中的电流大小为I=
=,故C 正确;回路有电流,则安培力不为零,故导体棒的安培力做功的功率不为零,故D
错误.
8.(多选)如图,PAQ 为一段固定于水平面上的光滑圆弧导轨,圆弧的圆心为O,半径为L.空
间存在垂直导轨平面、磁感应强度大小为B 的匀强磁场.电阻为R 的金属杆OA 与导轨接触
良好,图中电阻R1=R2=R,其余电阻不计.现使OA 杆在外力作用下以恒定角速度ω 绕圆
心O 顺时针转动,在其转过的过程中,下列说法正确的是( )
A.流过电阻R1的电流方向为P→R1→O
B.A、O 两点间电势差为
C.流过OA 的电荷量为
D.外力做的功为
答案 AD
解析 由右手定则判断出OA 中电流方向由O→A,可知流过电阻R1 的电流方向为
P→R1→O,故A 正确;OA 产生的感应电动势为E=,将OA 当成电源,外部电路R1与R2并
联,则A、O 两点间的电势差为U=·=,故B 错误;流过OA 的电流大小为I==,转过弧
度所用时间为t==,流过OA 的电荷量为q=It=,故C 错误;转过弧度过程中,外力做的
功为W=EIt=,故D 正确.
9.(多选)(2019·全国卷Ⅱ·21)如图,两条光滑平行金属导轨固定,所在平面与水平面夹角为
θ,导轨电阻忽略不计.虚线ab、cd 均与导轨垂直,在ab 与cd 之间的区域存在垂直于导轨
所在平面的匀强磁场.将两根相同的导体棒PQ、MN 先后自导轨上同一位置由静止释放,
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两者始终与导轨垂直且接触良好.已知PQ 进入磁场时加速度恰好为零.从PQ 进入磁场开
始计时,到MN 离开磁场区域为止,流过PQ 的电流随时间变化的图像可能正确的是( )
答案 AD
解析 根据题述,PQ 进入磁场时加速度恰好为零,两导体棒从同一位置释放,则两导体棒
进入磁场时的速度相同,产生的感应电动势大小相等,PQ 通过磁场区域后MN 进入磁场区
域,MN 同样匀速直线运动通过磁场区域,故流过PQ 的电流随时间变化的图像可能是A;
若释放两导体棒的时间间隔较短,在PQ 没有出磁场区域时MN 就进入磁场区域,则两棒在
磁场区域中运动时回路中磁通量不变,感应电动势和感应电流为零,两棒不受安培力作用,
二者在磁场中做加速运动,PQ 出磁场后,MN 切割磁感线产生感应电动势和感应电流,且
感应电流一定大于刚开始仅PQ 切割磁感线时的感应电流I1,则MN 所受的安培力一定大于
MN 的重力沿导轨平面方向的分力,所以MN 一定做减速运动,回路中感应电流减小,流过
PQ 的电流随时间变化的图像可能是D.
10.如图甲所示,虚线MN 左、右两侧的空间均存在与纸面垂直的匀强磁场,右侧匀强磁场
的方向垂直纸面向外,磁感应强度大小恒为B0;左侧匀强磁场的磁感应强度B 随时间t 变化
的规律如图乙所示,规定垂直纸面向外为磁场的正方向.一硬质细导线的电阻率为ρ、横截
面积为S0,将该导线做成半径为r 的圆环固定在纸面内,圆心O 在MN 上.求:
(1)t=时,圆环受到的安培力;
(2)在0~t0内,通过圆环的电荷量.
答案 (1),垂直于MN 向左 (2)
解析 (1)根据法拉第电磁感应定律,圆环中产生的感应电动势E=S
上式中S=
由题图乙可知=
根据闭合电路的欧姆定律有I=
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根据电阻定律有R=ρ
t=t0时,圆环受到的安培力大小F=B0I·(2r)+I·(2r)
联立解得F=
由左手定则知,方向垂直于MN 向左.
(2)通过圆环的电荷量q=·Δt
根据闭合电路的欧姆定律和法拉第电磁感应定律有=,=
在0~t0内,穿过圆环的磁通量的变化量为
ΔΦ=B0·πr2+·πr2
联立解得q=.
11.如图所示,光滑的足够长的平行水平金属导轨MN、PQ 相距l,在M、P 和N、Q 间各
连接一个额定电压为U、阻值恒为R 的灯泡L1、L2,在两导轨间cdfe 矩形区域内有垂直导轨
平面竖直向上、宽为d0的有界匀强磁场,磁感应强度为B0,且磁场区域可以移动,一电阻
也为R、长度大小也刚好为l 的导体棒ab 垂直固定在磁场左边的导轨上,离灯泡L1足够远.
现让匀强磁场在导轨间以某一恒定速度向左移动,当棒ab 刚处于磁场时两灯泡恰好正常工
作.棒ab 与导轨始终保持良好接触,导轨电阻不计.
(1)求磁场移动的速度大小;
(2)若保持磁场不移动(仍在cdfe 矩形区域),而使磁感应强度B 随时间t 均匀变化,两灯泡中
有一灯泡正常工作且都有电流通过,设t=0 时,磁感应强度为B0.试求出经过时间t 时磁感
应强度的可能值Bt.
答案 (1) (2)B0±t
解析 (1)当ab 刚处于磁场时,ab 棒切割磁感线,产生感应电动势,相当于电源,灯泡刚好
正常工作,则电路中路端电压U 外=U
由电路的分压之比得U 内=2U
则感应电动势为E=U 外+U 内=3U
由E=B0lv=3U,可得v=
(2)若保持磁场不移动(仍在cdfe 矩形区域),而使磁感应强度B 随时间t 均匀变化,可得棒与
L1并联后再与L2串联,则正常工作的灯泡为L2,所以L2两端的电压为U,电路中的总电动
势为
E=U+=
根据法拉第电磁感应定律得E==ld0
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联立解得=,所以经过时间t 时磁感应强度的可能值Bt=B0±t.
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