Question

如图所示，空间存在竖直向上的匀强磁场，磁感应强度B=0.2T．一质量m=0.1，总电阻r=0.4Ω，边长d=0.5m的正方形均匀导体框平放在粗糙的水平地面上，在一与导体框平面始终垂直的外力作用下做如下运动：首先外力作用在AB边上，线框绕CD边顺时针转动180°，然后外力作用到CD，线框绕AB边顺时针转动180°…如此不断重复，线框在地面上向右翻转，线框转动时的角速度w=0.4rad/s保持恒定．
（1）线框绕CD边转动，求当DA边转到竖直位置时AB边上所加水平外力的大小；
（2）求从线框绕CD边开始转动到DA边竖直的这四分之一圈内线框上产生的电热；
（3）从运动开始作为计时起点，求出在第一个周期内AB两点间的电势差U_AB随时间t变化的关系，并作出U_ABB随时间t变化的关系图线．

Answer 1

【答案】分析：由法拉第电磁感应定律分析求解感应电动势，分析电流，电压的有效值，再由电路知识求各位置的电压．
解答：解：（1）当以CD为轴转动时，AB棒切割磁感线，当转到AD边竖直时Em=BLV=Bldωd=0.2×0.4×0.5×0.5=0.02V 
                                       I=  
AB受到的水平外力应等于AB边受到的安培力：F=BId=0.2×0.05×0.5=0.005N
（2）在转动的过程中，线圈内产生了交变电流，从开始转动到AD边竖直可视为正弦交变电流的0到T/4   
      所以Q=J
（3）当以CD为轴转动时，仅AB棒切割磁感线．U_AB=
当以AB为轴转动时，仅CD棒切割磁感线．U= V
第一个周期AB两点间的电势差U_AB随时间t变化的关系为
     
答：（1）AB受到的水平外力应等于AB边受到的安培力：F=BId=0.2×0.05×0.5=0.005N
    （2）从线框绕CD边开始转动到DA边竖直的这四分之一圈内线框上产生的电热为0.00196J
在第一个周期内AB两点间的电势差U_AB随时间t变化的关系：
其图象为
点评：考查感应电动势的求解，会求有效值从而应用有效值求热功率；明确所求电压为哪段电路所分电压．