Question

某種小發(fā)電機的內部結構平面圖如圖1所示，永久磁體的內側為半圓柱面形狀，它與共軸的圓柱形鐵芯間的縫隙中存在輻向分布、大小近似均勻的磁場，磁感應強度B=0.5T．磁極間的缺口很小，可忽略．如圖2所示，單匝矩形導線框abcd繞在鐵芯上構成轉子，ab=cd=0.4m，bc=0.2m．鐵芯的軸線OO′在線框所在平面內，線框可隨鐵芯繞軸線轉動．將線框的兩個端點M、N接入圖中裝置A，在線框轉動的過程中，裝置A能使端點M始終與P相連，而端點N始終與Q相連．現(xiàn)使轉子以ω=200π rad/s角速度勻速轉動．在圖1中看，轉動方向是順時針的，設線框經(jīng)過圖1位置時t=0．（取π=3）
（1）求t=

1

400

s時刻線框產(chǎn)生的感應電動勢；
（2）在圖3給出的坐標平面內，畫出P、Q兩點電勢差U_PQ隨時間變化的關系圖線（要求標出橫、縱坐標標度，至少畫出一個周期）；
（3）如圖4所示為豎直放置的兩塊平行金屬板X、Y，兩板間距d=0.17m．將電壓U_PQ加在兩板上，P與X相連，Q與Y相連．將一個質量m=2.4×10^-12kg，電量q=+1.7×10^-10C的帶電粒子，在t₀=6.00×10^-3s時刻，從緊臨X板處無初速釋放．求粒子從X板運動到Y板經(jīng)歷的時間．（不計粒子重力）

Answer 1

（1）根據(jù)法拉第電磁感應定律知：感應電動勢   E=BSω=B×ab×bc×ω    
代入數(shù)據(jù)得     E=24V             
（2）由題意知線框轉過π弧度電勢將反向，根據(jù)右手定則知，開始時P點電勢低即U_PQ=-24V，電勢反向時間為
t=

π

ω

=0.005s，所以圖象為：




（3）粒子開始運動后一個周期內的運動示意圖如圖所示


粒子在電導中產(chǎn)生的加速度大小為：a=

Uq

dm

向Y板加速的距離  s1=

1

2

a×(T-t0)2=0.08m     
向X板加速的距離  s2=

1

2

a×(t0-

1

2

T)2=0.005m   
一個周期內前進的距離   S=2S₁-2S₂=0.15m  　　 
由于S＜d，d-S=0.02m＜S₁，所以粒子將在下一周期向Y板加速過程中到達Y板
設這次加速時間為t    d-s=

1

2

at2t=2.0×10^-3s   
求出總時間     　　　t_總=T+t=1.2×10^-2s    　 
答：（1）感應電動勢為24V
（2）圖象見上圖；
（3）粒子經(jīng)歷時間為1.2×10^-2s