高中物理研究电磁感应现象综合题

如图所示是利用高频交流焊接自行车零件的原理图，其中外圈A是通过高频交流电的线圈，B是自行车的零件，a是待焊接的接口，焊口两端接触在一起。当A中通有交变电流时，B中会产生感应电流，使得接口处的金属融化而焊接起来

问：（1）为什么在其他条件不变的情况下，交变电流的频率越高，焊接得越快？
（2）为什么焊接过程中，接口a处已经融化而零件的其他部分并不很热？

甲为某同学研究自感现象的实验电路图，用电流传感器显示各时刻通过线圈L的电流.电路中电灯的电阻R₁="6.0" Ω，定值电阻R="2.0" Ω，AB间电压U="6.0" V.开关S原来闭合，电路处于稳定状态.在t₁=1.0×10^-3 s时刻断开开关S，此时刻前后电流传感器显示的电流随时间变化图线如图乙所示.

图甲

图乙
(1)求出线圈L的直流电阻R_L；
(2)在图甲中用箭头标出断开开关后瞬间通过电灯R₁的电流方向；
(3)在t₂=1.6×10^-3 s时刻，线圈L中的感应电动势的大小是多少？

如下图，在水平面上有两条平行导电导轨MN、PQ，导轨间距离为l.匀强磁场垂直于导轨所在的平面（纸面）向里，磁感应强度的大小为B.两根金属杆1、2摆在导轨上，与导轨垂直，它们的质量和电阻分别为m₁、m₂和R₁、R₂.两杆与导轨接触良好，与导轨间的动摩擦因数皆为μ.已知杆1被外力拖动，以恒定的速度v₀沿导轨运动；达到稳定状态时，杆2也以恒定速度沿导轨运动，导轨的电阻可忽略.求此时杆2克服摩擦力做功的功率.

半径为a的圆形区域内有均匀磁场，磁感应强度为B="0.2" T，磁场方向垂直纸面向里，半径为b的金属圆环与磁场同心放置，磁场与环面垂直，其中a="0.4" m，b="0.6" m，金属环上分别接有灯L₁、L₂，两灯的电阻均为R₀="2" Ω，一金属棒MN与金属环接触良好，棒与环的电阻均忽略不计.
(1)若棒以v₀="5" m/s的速率在环上向右匀速滑动，求棒滑过圆环直径OO′的瞬间(如下图所示)MN中的电动势和流过灯L₁的电流；

(2)撤去中间的金属棒MN，将右面的半圆环OL₂O′以OO′为轴向上翻转90°，若此时磁场随时间均匀变化，其变化率为，求L₁的功率.

如图3-6-14所示，在倾角为30°的斜面上，固定两条无限长的平行光滑导轨，一个匀强磁场垂直于斜面向上，磁感应强度B="0.4" T，导轨间距L="0.5" m.两根金属棒ab、cd平行地放在导轨上，金属棒质量m_ab="0.1" kg,m_cd="0.2" kg，两金属棒总电阻r="0.2" Ω，导轨电阻不计.现使金属棒ab以v="1.5" m/s的速度沿斜面向上匀速运动，求:

图3-6-14
（1）金属棒cd的最大速度；
（2）在cd有最大速度时，作用在金属棒ab上的外力做功的功率.

如图12-12所示,有一弯成θ角的光滑金属导轨POQ,水平放置在磁感应强度为B的匀强磁场中,磁场方向与导轨平面垂直.有一金属棒MN与导轨的OQ边垂直放置,金属棒从O点开始以加速度a向右运动,求t秒末时,棒与导轨所构成的回路中的感应电动势是____________________.

图12-12

电磁炉专用平底锅的锅底和锅壁均由耐高温绝缘材料制成.起加热作用的是安在锅底的一系列半径不同的同心导电环.导电环所用的材料单位长度的电阻R＝0.125π Ω/m，从中心向外第n个同心圆环的半径为r_n＝（2n-1）r₁（n为正整数且n≤7），已知r₁="1.0" cm.当电磁炉开启后，能产生垂直于锅底方向的变化磁场，已知该磁场的磁感应强度B的变化率为，忽略同心导电圆环电流之间的相互影响.
（1）求出半径为r_n的导电圆环中产生的感应电动势瞬时表达式；
（2）半径为r₁的导电圆环中感应电流的最大值I₁m是多大？（计算中可取π²=10）
（3）若不计其他损失，所有导电圆环的总功率P是多大？

在水平面上平行放置着两根长度均为L的金属导轨MN和PQ，导轨间距为d，导轨和电路的连接如图12-64所示.在导轨的MP端放置着一根金属棒，与导轨垂直且接触良好.空间中存在竖直向上方向的匀强磁场，磁感应强度为B.将开关S₁闭合，S₂断开，电压表和电流表的示数分别为U₁和I₁，金属棒仍处于静止状态；再将开关S₂闭合，电压表和电流表的示数分别为U₂和I₂，金属棒在导轨上由静止开始运动，运动过程中金属棒始终与导轨垂直.设金属棒的质量为m，金属棒与导轨之间的动摩擦因数为μ.忽略导轨的电阻以及金属棒运动过程中产生的感应电动势，重力加速度为g.求：

图12-64
（1）金属棒到达NQ端时的速度大小；
（2）金属棒在导轨上运动的过程中，电流在金属棒中产生的热量.

如图12-60所示，边长L="2.5" m、质量m="0.50" kg的正方形金属线框，放在磁感应强度B="0.80" T的匀强磁场中，它的一边与磁场的边界MN重合.在力F作用下由静止开始向左运动，在5.0 s内从磁场中拉出.测得金属线框中的电流随时间变化的图象如图12-61所示.已知金属线框的总电阻R="4.0" Ω.
          
图12-60                 图12-61
（1）试判断金属线框从磁场中拉出的过程中，线框中的感应电流方向，并在图中标出.
（2）t="2.0" s时金属线框的速度和力F的大小.
（3）已知在5.0 s内力F做功1.92 J，那么金属线框从磁场拉出的过程中，线框中产生的焦耳热是多少？

如图12-63所示，ef、gh为水平放置的足够长的平行光滑导轨，导轨间距为L＝1 m，导轨左端连接一个R＝2 Ω的电阻，将一根质量为0.2 kg的金属棒cd垂直地放置导轨上，且与导轨接触良好，导轨与金属棒的电阻均不计，整个装置放在磁感应强度为B＝2 T的匀强磁场中，磁场方向垂直于导轨平面向下.现对金属棒施加一水平向右的拉力F，使棒从静止开始向右运动.试解答以下问题.

图12-63
（1）若施加的水平外力恒为F＝8 N，则金属棒达到的稳定速度v₁是多少？
（2）若施加的水平外力的功率恒为P＝18 W，则金属棒达到的稳定速度v₂是多少？
（3）若施加的水平外力的功率恒为P＝18 W，则从金属棒开始运动到速度v₃＝2 m/s的过程中电阻R产生的热量为8.6 J，则该过程所需的时间是多少？

如图12-59所示，MN、PQ是两根足够长固定的平行金属导轨，其间距为L，导轨平面与水平面的夹角为α.在整个导轨平面内都有垂直于导轨平面斜向上方向的匀强磁场，磁感应强度为B，在导轨的M、P端连接一阻值为R的电阻，一根垂直于导轨放置的金属棒ab，质量为m，从静止释放沿导轨下滑，已知ab与导轨间的动摩擦因数为μ.

图12-59
（1）分析ab棒下滑过程中的运动性质，画出其受力示意图.
（2）求ab棒的最大速度.

如图9-3-22所示，宽0.5 m的导轨上放一电阻R₀＝0.1 Ω的导体棒，并用水平线通过定滑轮吊着质量M＝0.2 kg的重物，轨道左端连接的电阻R＝0.4 Ω，图中的l＝0.8 m.竖直向上的匀强磁场的磁感应强度B＝0.5 T，并且以在变化.水平导轨电阻不计，且不计摩擦阻力.求至少经过多长时间才能吊起重物？

图9-3-22

如图所示,平行水平面放置的导轨上连有电阻R,处于垂直轨道平面的匀强磁场中.今从静止起用力拉金属棒ab,若拉力恒定,经过时间t₁后ab速度为v,加速度为a₁,最终速度可达2v;若改用功率恒定的拉力作用,经过时间t₂后ab的速度也为v,加速度为a₂,最终速度也可达2v.求a₁∶a₂的值.(导轨光滑,摩擦不计)

如下图所示，一个“U”形金属导轨PMNQ，其质量为M＝2 kg，放在光滑绝缘的水平面上，处于匀强磁场中，另有一根质量为m＝0.6 kg的金属棒CD与MN边平行放置在导轨上，CD边左边靠着固定的卡口a、b，卡口能阻止CD棒向左运动。匀强磁场以图中虚线为界，左侧的磁场B₁方向竖直向上(区域无限大)，右侧的磁场B₂方向水平向左，磁感应强度的大小都是0.80 T，如图所示。导轨MN段长为0.50 m，电阻为0.40 Ω，金属棒CD的电阻是0.40 Ω，其余电阻不计，CD与导轨间的动摩擦因数为0.20。若在导轨上作用一个方向水平向左，大小为2.4 N的恒力，设导轨足够长，取g＝10 m/s²。
求：导轨运动过程中的最大加速度和最大速度。

水平放置足够长的光滑平行金属导轨MN和PQ相距L＝0.3 m，接在MP之间的定值电阻R₀＝0.9 Ω；质量M＝80 g、电阻R＝0.3 Ω的金属棒ab静止在金属导轨上，ac、cd和ab三段的长度相同、电阻值相等，金属棒与导轨接触良好；导轨和连线的电阻不计，整个装置处在垂直于轨道平面向下的匀强磁场中，磁感应强度B＝1 T，俯视如图。现有一质量为m＝20 g的黏性橡皮泥，以向右的水平速度v₀＝10 m/s击中cd段的中央，并在极短时间内粘在棒上一起运动。

(1)橡皮泥刚好与金属棒具有共同速度时，求金属棒两端的电势差U_ab；
(2)金属棒在向右滑动的过程中，当加速度大于等于最大值的1/2时，求电阻R₀的电功率P。