如图(a)所示,在垂直于匀强磁场B的平面内,半径为r的金属圆盘绕过圆心O的轴转动,圆心O和边缘K通过电刷与一个电路连接,电路中的P是加上一定正向电压才能导通的电子元件.流过电流表的电流I与圆盘角速度ω的关系如图(b)所示,期中ab段和bc段均为直线,且ab段过坐标原点.ω>0代表圆盘逆时针转动.已知:R=3.0Ω,B=1.0T,r=0.2m.忽略圆盘、电流表和导线的电阻
(1)根据图(b)写出ab、bc段对应I与ω的关系式
(2)求出图(b)中b、c两点对应的P两端的电压Ub、Uc
(3)分别求出ab、bc段流过P的电流Ip与其两端电压Up的关系式.
(1)由图可知,在ab段,直线斜率k1=
=△I1 △ω1 1 150
故对应I与ω的关系式为:I=
ω (-45rad/s≤ω≤15 rad/s)1 150
在bc段,直线斜率k2=
=△I2 △ω2 1 100
设表达式I=k2ω+b,把ω=45rad/s,I=0.4A代入解得b=-0.05
故对应I与ω的关系式为:I=
ω-0.05 (15rad/s≤ω≤45 rad/s)1 100
(2)圆盘转动时产生的感应电动势E=Brv=Br
=0+ωr 2
Br2ω1 2
故b点对应的P两端的电压Ub=Eb=
Br2ωb1 2
c两点对应的P两端的电压Uc=Ec=
Br2ωc1 2
代入数据解得Ub=0.30V
Uc=0.90V
(3)由Up=( I-Ip)R可知
ab段流过P的电流Ip与其两端电压Up的关系式为
Up=-3Ip+
ω (0≤ω≤15 rad/s)1 50
或Up=3Ip-
ω (-45rad/s≤ω≤0)1 50
bc段流过P的电流Ip与其两端电压Up的关系式
Up=-3Ip+
ω-0.15 (15rad/s≤ω≤45 rad/s)3 100
答:(1)ab、bc段对应I与ω的关系式分别为I=
ω (-45rad/s≤ω≤15 rad/s),I=1 150
ω-0.05 (15rad/s≤ω≤45 rad/s).1 100
(2)中b、c两点对应的P两端的电压分别为0.30V,0.90V.
(3)ab流过P的电流Ip与其两端电压Up的关系式分别为:Up=-3Ip+
ω (0≤ω≤15 rad/s)或Up=3Ip-1 50
ω (-45rad/s≤ω≤0),bc段流过P的电流Ip与其两端电压Up的关系式Up=-3Ip+1 50
ω-0.15 (15rad/s≤ω≤45 rad/s).3 100