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第2 讲 法拉第电磁感应定律、自感和涡流
目标要求 1.理解法拉第电磁感应定律,会应用E=n 进行有关计算.2.会计算导体切割磁感
线产生的感应电动势.3.了解自感现象、涡流、电磁驱动和电磁阻尼.
考点一 法拉第电磁感应定律的理解及应用
1.感应电动势
(1)感应电动势:在电磁感应现象中产生的电动势.
(2)产生条件:穿过回路的磁通量发生改变,与电路是否闭合无关.
2.法拉第电磁感应定律
(1)内容:闭合电路中感应电动势的大小,跟穿过这一电路的磁通量的变化率成正比.
(2)公式:E=n,其中n 为线圈匝数.
(3)感应电流与感应电动势的关系:I=.
(4)说明:E 的大小与Φ、ΔΦ 无关,决定于磁通量的变化率.
1.Φ=0,不一定等于0.( √ )
2.穿过线圈的磁通量变化越大,感应电动势也越大.( × )
3.穿过线圈的磁通量变化越快,感应电动势越大.( √ )
4.线圈匝数n 越多,磁通量越大,产生的感应电动势也越大.( × )
对公式E=n 的理解
1.若已知Φ-t 图像,则图线上某一点的切线斜率为.
2.当ΔΦ 仅由B 的变化引起时,E=n,其中S 为线圈在磁场中的有效面积.若B=B0+kt,
则=k.
3.当ΔΦ 仅由S 的变化引起时,E=nB.
4.当B、S 同时变化时,则E=n≠n.
例1 (2022·河北卷·5)将一根绝缘硬质细导线顺次绕成如图所示的线圈,其中大圆面积为
S1,小圆面积均为S2,垂直线圈平面方向有一随时间t 变化的磁场,磁感应强度大小B=B0
+kt,B0和k 均为常量,则线圈中总的感应电动势大小为( )
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A.kS1
B.5kS2
C.k(S1-5S2)
D.k(S1+5S2)
答案 D
解析 由法拉第电磁感应定律,可得大圆线圈产生的感应电动势E1===kS1,每个小圆线
圈产生的感应电动势E2===kS2,由线圈的绕线方式和楞次定律可得大、小圆线圈产生的
感应电动势方向相同,故线圈中总的感应电动势大小为E=E1+5E2=k(S1+5S2),故D 正确,
A、B、C 错误.
例2 (2022·全国甲卷·16)三个用同样的细导线做成的刚性闭合线框,正方形线框的边长与
圆线框的直径相等,圆线框的半径与正六边形线框的边长相等,如图所示.把它们放入磁感
应强度随时间线性变化的同一匀强磁场中,线框所在平面均与磁场方向垂直,正方形、圆形
和正六边形线框中感应电流的大小分别为I1、I2和I3.则( )
A.I1<I3<I2
B.I1>I3>I2
C.I1=I2>I3
D.I1=I2=I3
答案 C
解析 设圆线框的半径为r,则由题意可知正方形线框的边长为2r,正六边形线框的边长为
r;所以圆线框的周长为C2=2πr,面积为S2=πr2.同理可知正方形线框的周长和面积分别为
C1=8r,S1=4r2,正六边形线框的周长和面积分别为C3=6r,S3=,三个线框材料粗细相同,
根据电阻定律R=ρ,可知三个线框电阻之比为
R1∶R2∶R3=C1∶C2∶C3=8∶2π∶6
根据法拉第电磁感应定律有I==·
可得电流之比为I1∶I2∶I3=2∶2∶
即I1=I2>I3,故选C.
考点二 动生电动势
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1.导体平动切割磁感线产生感应电动势的算式E=Blv 的理解
(1)直接使用E=Blv 的条件是:在匀强磁场中,B、l、v 三者互相垂直.如果不相互垂直,
应取垂直分量进行计算.
(2)有效长度
公式E=Blv 中的l 为导体两端点连线在垂直于速度方向上的投影长度.如图,导体的有效
长度分别为:
图甲:l=sin β.
图乙:沿v 方向运动时,l=.
图丙:沿v1方向运动时,l=R;沿v2方向运动时,l=R.
(3)相对速度
E=Blv 中的速度v 是导体相对磁场的速度,若磁场也在运动,应注意速度间的相对关系.
2.导体转动切割磁感线
如图,当长为l 的导体在垂直于匀强磁场(磁感应强度为B)的平面内,绕一端以角速度ω 匀
速转动,当导体运动Δt 时间后,转过的弧度θ=ωΔt,扫过的面积ΔS=l2ωΔt,则E===
Bl2ω(或E=Bl=Bl=Bl=Bl2ω).
1.公式E=Blv 中的l 是导体棒的总长度.( × )
2.磁场相对导体棒运动,导体棒中也可能产生感应电动势.( √ )
考向1 有效长度问题
例3 (2023·上海市模拟)如图所示,由均匀导线制成的半径为R 的圆环,以速度v 匀速进
入一磁感应强度大小为B 的匀强磁场.当圆环运动到图示位置(∠aOb=90°)时,a、b 两点的
电势差Uab为( )
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A.BRv
B.BRv
C.-BRv
D.-BRv
答案 D
解析 有效切割长度即a、b 连线的长度,如图所示
由几何关系知有效切割长度为R,所以产生的电动势为E=BLv=B·Rv,电流的方向为
a→b,所以Uab<0,由于在磁场部分的阻值为整个圆的,所以Uab=-B·Rv=-BRv,故选D.
考向2 平动切割磁感线
例4 (多选)两条平行虚线间存在一匀强磁场,磁感应强度方向与纸面垂直.边长为0.1
m、总电阻为0.005 Ω 的正方形导线框abcd 位于纸面内,cd 边与磁场边界平行,如图(a)所
示.已知导线框一直向右做匀速直线运动,cd 边于t=0 时刻进入磁场.线框中感应电动势
随时间变化的图线如图(b)所示(感应电流的方向为顺时针时,感应电动势取正).下列说法正
确的是( )
A.磁感应强度的大小为0.5 T
B.导线框运动速度的大小为0.5 m/s
C.磁感应强度的方向垂直于纸面向外
D.在t=0.4 s 至t=0.6 s 这段时间内,导线框所受的安培力大小为0.1 N
答案 BC
解析 由题图(b)可知,导线框经过0.2 s 全部进入磁场,则速度v== m/s=0.5 m/s,选项B
正确;由题图(b)可知,cd 边切割磁感线产生的感应电动势E=0.01 V,根据E=Blv 得,B=
= T=0.2 T,选项A 错误;根据右手定则及正方向的规定可知,磁感应强度的方向垂直于
纸面向外,选项C 正确;在t=0.4 s 至t=0.6 s 这段时间内,导线框中的感应电流I== A=
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2 A, 所受的安培力大小为F=BIl=0.2×2×0.1 N=0.04 N,选项D 错误.
考向3 转动切割磁感线
例5 (多选)金属棒ab 长度L=0.5 m,阻值r=1 Ω,放在半径分别为r1=0.5 m 和 r2=1.0
m 的水平同心圆环导轨上,两圆环之间有竖直向上的匀强磁场,磁感应强度为B=2 T;从
两圆环下端引出导线连接一阻值为R=2 Ω 的电阻,ab 在外力作用下以角速度ω=4 rad/s 绕
圆心顺时针(从上往下看)做匀速圆周运动,不计圆环导轨的电阻和一切摩擦,下列说法正确
的是( )
A.a 点的电势高于b 点的电势
B.电阻R 两端的电压为2 V
C.在金属棒旋转一周的时间内,金属棒上产生的焦耳热为 J
D.在金属棒旋转半周的时间内,金属棒上产生的焦耳热为 J
答案 ABD
解析 由右手定则可知,金属棒顺时针转动时,感应电流方向由b 到a,金属棒充当电源,
则a 点的电势高于b 点的电势,故A 正确;金属棒产生的感应电动势E=BLω·=3 V,则电
阻R 两端的电压为UR=·E=2 V,故B 正确;金属棒旋转半周的时间t′== s,通过的电
流I==1 A,产生的焦耳热为Q=I2rt′= J,故C 错误,D 正确.
考点三 自感现象
1.概念:当一个线圈中的电流变化时,它所产生的变化的磁场在线圈本身激发出感应电动
势.这种现象称为自感,由于自感而产生的感应电动势叫作自感电动势.
2.表达式:E=L.
3.自感系数L 的影响因素:与线圈的大小、形状、匝数以及是否有铁芯有关.
1.线圈中电流越大,自感系数也越大.( × )
2.对于同一个线圈,电流变化越快,线圈中的自感电动势也越大.( √ )
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3.自感电动势总是阻止原电流的变化.( × )
通电自感和断电自感的比较
电路图
器材要求
A1、A2同规格,R=RL,L 较大
L 很大(有铁芯)
通电时
在S 闭合瞬间,灯A2立即亮起来,
灯A1逐渐变亮,最终一样亮
灯A 立即亮,然后逐渐变暗达到稳
定
断电时
回路电流减小,灯泡逐渐变暗,A1
电流方向不变,A2电流反向
①若I2≤I1,灯泡逐渐变暗;
②若I2>I1,灯泡闪亮后逐渐变暗.
两种情况下灯泡中电流方向均改变
总结
自感电动势总是阻碍原电流的变化
例6 (2023·湖南省长郡中学模拟)某同学想对比自感线圈和小灯泡对电路的影响,他设计
了如图甲所示的电路,电路两端电压U 恒定,A1、A2为完全相同的电流传感器.先闭合开
关K 得到如图乙所示的i-t 图像,等电路稳定后,断开开关(断开开关的实验数据未画出).
下列关于该实验的说法正确的是( )
A.闭合开关时,自感线圈中电流为零,其自感电动势也为零
B.图乙中的a 曲线表示电流传感器A2测得的数据
C.断开开关时,小灯泡会明显闪亮后逐渐熄灭
D.t1时刻小灯泡与线圈的电阻相等
答案 D
解析 闭合开关时,其线圈自感电动势等于电源电动势,自感线圈中电流为零,故A 错误;
A2中电流等于自感线圈中电流,自感线圈中电流从零开始逐渐增大,最后趋于稳定,故A2
中数据应为题图乙中b 曲线,故B 错误;断开开关前,两支路中电流相等,刚断开开关时,
回路中的电流不变,故灯泡不会发生明显闪亮,而是逐渐熄灭,故C 错误;t1时刻,两支路
中电压相等,电流相等,则电阻相等,即小灯泡与线圈的电阻相等,故D 正确.
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分析自感问题的三个技巧
考点四 涡流 电磁阻尼和电磁驱动
1.涡流现象
(1)涡流:块状金属放在变化磁场中,或者让它在非均匀磁场中运动时,金属块内产生的漩
涡状感应电流.
(2)产生原因:金属块内磁通量变化→感应电动势→感应电流.
2.电磁阻尼
当导体在磁场中运动时,感应电流会使导体受到安培力,安培力总是阻碍导体的运动.
3.电磁驱动
如果磁场相对于导体转动,在导体中会产生感应电流使导体受到安培力而运动起来.
1.电磁阻尼体现了能量守恒定律.( √ )
2.电磁阻尼阻碍相对运动,电磁驱动促进二者相对运动.( × )
例7 如图所示,关于涡流的下列说法中错误的是( )
A.真空冶炼炉是利用涡流来熔化金属的装置
B.家用电磁炉锅体中的涡流是由恒定磁场产生的
C.阻尼摆摆动时产生的涡流总是阻碍其运动
D.变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成能减小涡流
答案 B
例8 (2023·陕西榆林市模拟)水平放置的玻璃板上方有一用细线悬挂的可自由旋转的小磁
针,下方有一水平放置的铜圆盘.圆盘的轴线与小磁针悬线在同一直线上,初始时小磁针与
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圆盘均处于静止状态.当圆盘绕轴沿逆时针方向(俯视)匀速转动时,下列说法正确的是(
)
A.小磁针不动
B.小磁针沿逆时针方向(俯视)转动
C.小磁针沿顺时针方向(俯视)转动
D.由于穿过圆盘的磁通量没有变化,圆盘中没有感应电流
答案 B
解析 铜圆盘上存在许多小的闭合回路,当圆盘转动时,穿过小的闭合回路的磁通量发生变
化,回路中产生感应电流(涡流),此电流产生的磁场导致磁针沿逆时针方向(俯视)转动,构
成电磁驱动,故选B.
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课时精练
1.如图所示,在某次阅兵盛典上,我国预警机“空警-2000”在通过天安门上空时机翼保
持水平,以4.5×102 km/h 的速度自东向西飞行.该机的翼展(两翼尖之间的距离)为50 m,
北京地区地磁场向下的竖直分量大小为4.7×10-5 T,则( )
A.两翼尖之间的电势差为2.9 V
B.两翼尖之间的电势差为1.1 V
C.飞机左方翼尖的电势比右方翼尖的电势高
D.飞机左方翼尖的电势比右方翼尖的电势低
答案 C
解析 飞机的飞行速度为4.5×102 km/h=125 m/s,飞机两翼尖之间的电动势为E=Blv=
4.7×10-5×50×125 V≈0.29 V,A、B 项错误;飞机从东向西飞行,磁场竖直分量向下,根
据右手定则可知,飞机左方翼尖的电势高于右方翼尖的电势,C 项正确,D 项错误.
2.(2022·江苏卷·5)如图所示,半径为r 的圆形区域内有垂直于纸面的匀强磁场,磁感应强度
B 随时间t 的变化关系为B=B0+kt,B0、k 为常量,则图中半径为R 的单匝圆形线圈中产生
的感应电动势大小为( )
A.πkr2
B.πkR2
C.πB0r2
D.πB0R2
答案 A
解析 由题意可知磁场的变化率为==k,根据法拉第电磁感应定律可知E===kπr2,故选
A.
3.如图,线圈L 的自感系数极大,直流电阻忽略不计;D1、D2 是两个二极管,当电流从
“+”流向“-”时能通过,反之不通过;R0是保护电阻,则( )
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A.闭合S 之后,B 灯慢慢变亮
B.闭合S 之后,A 灯亮且亮度不变
C.断开S 瞬时,A 灯闪一下再慢慢熄灭
D.断开S 瞬时,B 灯闪一下再慢慢熄灭
答案 D
解析 闭合S 瞬间,A 灯支路二极管正向导通,因此A 灯亮,B 灯支路二极管不能导通,因
此不亮,之后线圈自感阻碍逐渐减小,从自感线圈流过的电流逐渐增大,A 灯逐渐熄灭,故
A、B 错误;断开S 瞬间,线圈L 产生与原电流方向相同的自感电流,可通过D2,故B 灯闪
一下再慢慢熄灭,电流不能通过D1,故A 灯不亮,故C 错误,D 正确.
4.(2023·广东省模拟)在油电混合小轿车上有一种装置,刹车时能将车的动能转化为电能,
启动时再将电能转化为动能,从而实现节能减排.图中,甲、乙磁场方向与轮子的转轴平行,
丙、丁磁场方向与轮子的转轴垂直,轮子是绝缘体,则采取下列哪个措施,能有效地借助磁
场的作用,让转动的轮子停下( )
A.如图甲,在轮上固定如图绕制的线圈
B.如图乙,在轮上固定如图绕制的闭合线圈
C.如图丙,在轮上固定一些细金属棒,金属棒与轮子转轴平行
D.如图丁,在轮上固定一些闭合金属线框,线框长边与轮子转轴平行
答案 D
解析 题图甲和题图乙中当轮子转动时,穿过线圈的磁通量都是不变的,不会产生感生电流,
则不会有安培力阻碍轮子的运动,选项A、B 错误;题图丙中在轮上固定一些细金属棒,当
轮子转动时会产生感应电动势,但是不会形成感应电流,则也不会产生安培力阻碍轮子转动,
选项C 错误;题图丁中在轮上固定一些闭合金属线框,线框长边与轮子转轴平行,当轮子
转动时会产生感应电动势,形成感应电流,则会产生安培力阻碍轮子转动,使轮子很快停下
来,选项D 正确.
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5.磁电式仪表的基本组成部分是磁体和线圈.缠绕线圈的骨架常用铝框,铝框、指针固定
在同一转轴上.线圈未通电时,指针竖直指在表盘中央;线圈通电时发生转动,指针随之偏
转,由此就能确定电流的大小.如图所示,线圈通电时指针向右偏转,在此过程中,下列说
法正确的是( )
A.俯视看线圈中通有逆时针方向的电流
B.穿过铝框的磁通量减少
C.俯视看铝框中产生顺时针方向的感应电流
D.使用铝框做线圈骨架能够尽快使表针停在某一刻度处
答案 D
解析 由左手定则可知,俯视看线圈中通有顺时针方向的电流,选项A 错误;因为线圈在
水平位置时磁通量为零,则线圈转动时,穿过铝框的磁通量增加,根据楞次定律可知,俯视
看铝框中产生逆时针方向的感应电流,选项B、C 错误;当铝框中产生感应电流时,铝框受
到的安培力与运动方向相反,故起到了阻尼作用,则使用铝框做线圈骨架能够尽快使表针停
在某一刻度处,故D 正确.
6.(多选)(2023·湖北省模拟)如图所示,在距地面高h=1.25 m 处固定有两根间距为l=0.5 m
水平放置的平行金属导轨,导轨的左端接有电源E,右端边缘处静置有一长l=0.5 m、质量
m=0.2 kg、电阻R=5.0 Ω 的导体棒ab,导体棒所在空间有磁感应强度大小B=1.0 T、方向
竖直向上的匀强磁场.闭合开关后,导体棒ab 以某一初速度水平向右抛出,已知导体棒落
地点到抛出点的水平距离d=2.5 m,重力加速度g=10 m/s2,则( )
A.在空中运动过程中,导体棒a 端的电势低于b 端的电势
B.导体棒抛出时的初速度大小为5 m/s
C.在空中运动过程中,导体棒上产生的感应电动势大小恒定
D.在空中运动过程中,导体棒的速度逐渐变大,棒上产生的感应电动势增大
答案 BC
解析 由右手定则可知,导体棒在空中运动过程中,在水平方向上要切割磁感线,从而产生
感应电动势,但无感应电流,不受安培力,故导体棒在平抛运动过程中水平方向上的速度v0
不变,由E=Blv0可知,导体棒上产生的感应电动势大小不变,且a 端电势高于b 端电势,
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故A、D 错误,C 正确;导体棒从抛出到落地的时间为t==0.5 s,故导体棒做平抛运动的
初速度v0==5 m/s,故B 正确.
7.如图所示,在半径为R 的圆形区域内存在垂直于平面向里的匀强磁场,磁感应强度为B,
圆外无磁场.一根长为2R 的导体杆ab 水平放置,a 端处在圆形磁场的下边界,现使杆绕a
端以角速度ω 逆时针匀速旋转180°,在旋转过程中( )
A.b 端的电势始终高于a 端
B.ab 杆的电动势最大值E=BR2ω
C.全过程中,ab 杆平均电动势=BR2ω
D.当杆旋转θ=120°时,ab 间电势差Uab=BR2ω
答案 C
解析 根据右手定则,a 端相当于电源正极,b 端为负极,a 端电势高于b 端电势,故A 错
误;当导体杆ab 和直径重合时,切割磁感线的有效长度l=2R,此时产生的感应电动势最大,
ab 杆切割磁感线产生的感应电动势为E=Bl2ω=2BR2ω,故B 错误;根据法拉第电磁感应定
律可知,全过程中,ab 杆平均电动势为==BR2ω,故C 正确;当θ=120°时,ab 杆切割磁
感线的有效长度l′=R,ab 杆切割磁感线产生的感应电动势为E′=Bl′2ω=BR2ω,故D
错误.
8.(多选)(2023·广东深圳市光明区高级中学模拟)发光竹蜻蜓是一种常见的儿童玩具.某同学
对竹蜻蜓的电路作如下简化:如图所示,导电圆环绕垂直于圆环平面、通过圆心O 的金属
轴O1O2以角速度ω 逆时针(俯视)匀速转动.圆环上接有三根金属辐条OP、OQ、OR,辐条
互成120°角.在圆环左半部分张角也为120°角的范围内(两条虚线之间)分布着垂直圆环平面
向下、磁感应强度大小为B 的匀强磁场,在转轴O1O2与圆环的边缘之间通过电刷M、N 与
一个LED 灯(二极管)相连.除LED 灯电阻外,其他电阻不计.下列说法中正确的是( )
A.若OP 棒进入磁场中,P 点电势小于O 点电势
B.金属辐条在磁场中旋转产生的是正弦式交变电流
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C.若导电圆环顺时针转动(俯视),也能看到LED 灯发光
D.角速度比较大时,能看到LED 灯更亮
答案 AD
解析 由右手定则可知OP 切割磁感线产生的感应电流在OP 辐条上从P 流向O,则OP 为
电源时O 为正极,P 为负极,所以P 点电势小于O 点电势,故A 正确;金属辐条在磁场中
旋转产生的感应电流大小和方向都恒定,为直流电,故B 错误;导电圆环顺时针(俯视)转动
产生的感应电流与逆时针转动时产生的感应电流方向相反,逆时针转动时二极管发光,由二
极管的单向导电性可知顺时针转动时二极管不发光,故C 错误;假设辐条长度为L,辐条切
割磁感线产生的感应电动势大小为E=BL=BL=, 可知角速度变大时,感应电动势变大,
感应电流变大,则LED 灯更亮,故D 正确.
9.(2022·重庆卷·13)某同学以金属戒指为研究对象,探究金属物品在变化磁场中的热效应.
如图所示,戒指可视为周长为L、横截面积为S、电阻率为ρ 的单匝圆形线圈,放置在匀强
磁场中,磁感应强度方向垂直于戒指平面.若磁感应强度大小在Δt 时间内从0 均匀增加到
B0,求:
(1)戒指中的感应电动势和电流;
(2)戒指中电流的热功率.
答案 (1)
(2)
解析 (1)设戒指环的半径为r,则有L=2πr
磁感应强度大小在Δt 时间内从0 均匀增加到B0,产生的感应电动势为E=·πr2
可得E=,戒指的电阻为R=
则戒指中的感应电流为I==
(2)戒指中电流的热功率为
P=I2R=.
10.(多选)(2022·山东卷·12)如图所示,xOy 平面的第一、三象限内以坐标原点O 为圆心、半
径为L 的扇形区域充满方向垂直纸面向外的匀强磁场.边长为L 的正方形金属框绕其始终在
O 点的顶点、在xOy 平面内以角速度ω 顺时针匀速转动,t=0 时刻,金属框开始进入第一
象限.不考虑自感影响,关于金属框中感应电动势E 随时间t 变化规律的描述正确的是(
)
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A.在t=0 到t=的过程中,E 一直增大
B.在t=0 到t=的过程中,E 先增大后减小
C.在t=0 到t=的过程中,E 的变化率一直增大
D.在t=0 到t=的过程中,E 的变化率一直减小
答案 BC
解析 在t=0 到t=的过程中,金属框的有效切割长度先变大再变小,当t=时,有效切割
长度最大,为L,此时,感应电动势最大,所以在t=0 到t=的过程中,E 先增大后减小,
故B 正确,A 错误;在t=0 到t=的过程中,设转过的角度为θ,由几何关系可得θ=ωt,在
t=0 到t=的过程中,切割磁感线的有效长度d=,则感应电动势为E=Bd2ω=,可知在t=
0 到t=的过程中,E 的变化率一直增大,故C 正确,D 错误.
11.(多选)如图甲所示,足够长的光滑金属导轨处在垂直于导轨平面向里的匀强磁场中,其
磁感应强度B 随时间t 的变化图像如图乙所示.导轨左端接有一个电阻值恒为R 的灯泡.从
0 时刻开始,垂直于导轨的导体棒ab 在水平外力F 的作用下从导轨的左端沿导轨以速度v
水平向右匀速运动.导体棒ab 的长度为l,导体棒运动过程中与导轨接触良好,导体棒与导
轨的电阻均不计.在导体棒ab 向右运动的过程中,下列说法正确的是( )
A.灯泡亮度不变
B.灯泡逐渐变亮
C.在t0时刻,F=
D.在t0时刻,F=
答案 BC
解析 由题图乙可知,在t 时刻磁感应强度的大小为B=t,所以在t 时刻回路中由于导体棒
运动产生的动生电动势为E1=Blv=,在t 时刻回路中由于磁感应强度变化产生的感生电动
势为E2==,根据右手定则和楞次定律可知,这两个电动势是同方向的,所以回路中的总
电动势为E=E1+E2=2,因此回路中的总电动势随时间增大,所以灯泡逐渐变亮,故A 错
误,B 正确;在t0 时刻,回路中的总电动势为E′=2=2B0lv,回路中的电流为I==,ab
棒受到的安培力大小为F′=B0Il=,由于ab 棒匀速运动,所以ab 棒受力平衡,因此水平
外力大小为F=F′=,故C 正确,D 错误.
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