问题 问答题

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.

答案

(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=

1
150
ω  (-45rad/s≤ω≤15 rad/s)

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=

1
100
ω-0.05  (15rad/s≤ω≤45 rad/s)

(2)圆盘转动时产生的感应电动势E=Brv=Br

0+ωr
2
=
1
2
Br2ω

故b点对应的P两端的电压Ub=Eb=

1
2
Br2ωb

c两点对应的P两端的电压Uc=Ec=

1
2
Br2ωc

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+

1
50
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+

3
100
ω-0.15  (15rad/s≤ω≤45 rad/s)

答:(1)ab、bc段对应I与ω的关系式分别为I=

1
150
ω (-45rad/s≤ω≤15 rad/s),I=
1
100
ω-0.05 (15rad/s≤ω≤45 rad/s).

(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+

1
50
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+
3
100
ω-0.15 (15rad/s≤ω≤45 rad/s).

选择题
单项选择题