格物学 电磁学电磁感应

法拉第电磁感应定律的理解及应用-电磁感应知识点专题基础自测题解析-湖南省等高中物理,平均正确率94.0%

2025-06-08
法拉第电磁感应定律的理解及应用-电磁感应知识点专题基础自测题解析-湖南省等高中物理,平均正确率94.0%
3、['法拉第电磁感应定律的理解及应用', '平均值、有效值', '瞬时值、峰值']

正确率40.0%一个矩形线框的面积为$${{S}}$$,在磁感应强度为$${{B}}$$的匀强磁场中,从线圈平面与磁场垂直的位置开始计时,转速为$${{n}}$$转$${{/}}$$秒,则$${{(}{)}}$$

B

A.线框交变电动势的最大值为$${{n}{π}{B}{S}}$$

B.线框交变电动势的有效值为$$\sqrt{2} n \pi B S$$

C.从开始转动经过$$\frac{1} {4}$$周期,线框中的平均感心电动势为$${{2}{π}{B}{S}}$$

D.感应电动势瞬时值为$$e=2 \pi B S \operatorname{s i n} 2 \pi t$$

首先,我们需要明确题目中的物理量和条件:矩形线框面积为$$S$$,匀强磁场的磁感应强度为$$B$$,线框初始位置与磁场垂直,转速为$$n$$转/秒。

步骤1:确定角频率

转速为$$n$$转/秒,因此角频率$$\omega$$为:

$$\omega = 2 \pi n \ \text{rad/s}$$

步骤2:推导感应电动势的瞬时表达式

线框在磁场中旋转时,磁通量$$\Phi$$随时间变化的关系为:

$$\Phi = BS \cos \theta = BS \cos \omega t$$

根据法拉第电磁感应定律,感应电动势$$e$$为磁通量的负变化率:

$$e = -\frac{d\Phi}{dt} = -\frac{d}{dt}(BS \cos \omega t) = BS \omega \sin \omega t$$

将$$\omega = 2 \pi n$$代入,得到:

$$e = 2 \pi n B S \sin (2 \pi n t)$$

因此,选项D的表达式$$e = 2 \pi B S \sin 2 \pi t$$是错误的,因为它忽略了转速$$n$$。

步骤3:计算电动势的最大值

感应电动势的最大值$$E_{\text{max}}$$出现在$$\sin \omega t = 1$$时:

$$E_{\text{max}} = 2 \pi n B S$$

选项A给出的最大值是$$n \pi B S$$,与计算结果不符,因此A是错误的。

步骤4:计算电动势的有效值

交变电动势的有效值$$E_{\text{eff}}$$为最大值的$$\frac{1}{\sqrt{2}}$$:

$$E_{\text{eff}} = \frac{E_{\text{max}}}{\sqrt{2}} = \frac{2 \pi n B S}{\sqrt{2}} = \sqrt{2} \pi n B S$$

选项B给出的有效值是$$\sqrt{2} n \pi B S$$,与计算结果一致,因此B是正确的。

步骤5:计算$$\frac{1}{4}$$周期内的平均电动势

一个周期$$T$$为$$T = \frac{1}{n}$$秒,$$\frac{1}{4}$$周期即为$$\Delta t = \frac{1}{4n}$$秒。

初始时刻($$t=0$$)磁通量为$$\Phi_0 = BS$$,$$\frac{1}{4}$$周期后($$t = \frac{1}{4n}$$),线框转过$$90^\circ$$,磁通量为$$\Phi_1 = 0$$。

根据法拉第电磁感应定律,平均电动势$$\bar{e}$$为:

$$\bar{e} = -\frac{\Delta \Phi}{\Delta t} = -\frac{0 - BS}{\frac{1}{4n}} = 4n B S$$

选项C给出的平均电动势是$$2 \pi B S$$,与计算结果不符,因此C是错误的。

结论

通过上述分析,只有选项B是正确的。

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