Question

（16分）圖1是交流發(fā)電機(jī)模型示意圖。在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，有一矩形線圈abcd可繞線圈平面內(nèi)垂直于磁感線的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由線圈引起的導(dǎo)線ae和df分別與兩個(gè)跟線圈一起繞轉(zhuǎn)動(dòng)的金屬圈環(huán)相連接，金屬圓環(huán)又分別與兩個(gè)固定的電刷保持滑動(dòng)接觸，這樣矩形線圈在轉(zhuǎn)動(dòng)中就可以保持和外電路電阻R形成閉合電路。圖2是線圈的主視圖，導(dǎo)線ab和cd分別用它們的橫截面來表示。已知ab長(zhǎng)度為L(zhǎng)₁，bc長(zhǎng)度為L(zhǎng)₂，線圈以恒定角速度ω逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。（只考慮單匝線圈）

（1）線圈平面處于中性面位置時(shí)開始計(jì)時(shí)，試推導(dǎo)t時(shí)刻整個(gè)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e₁的表達(dá)式；
（2）線圈平面處于與中性面成φ₀夾角位置時(shí)開始計(jì)時(shí)，如圖3所示，試寫出t時(shí)刻整個(gè)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e₂的表達(dá)式；
（3）若線圈電阻為r，求線圈每轉(zhuǎn)動(dòng)一周電阻R上產(chǎn)生的焦耳熱。（其它電阻均不計(jì)）

Answer 1

（1）    （2）
（3）

（1）矩形線圈abcd轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，只有ab和cd切割磁感線，設(shè)ab和cd的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為v，則
                                            ①
在t時(shí)刻，導(dǎo)線ab和cd因切割磁感線而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)均為
                                         ②
由圖可知                                          ③

則整個(gè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為
                              ④
（2）當(dāng)線圈由圖3位置開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，在t時(shí)刻整個(gè)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為
                               ⑤
（3）由閉合電路歐姆定律可知
                                           ⑥
這里的E為線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)的有效值
                                   ⑦
則線圈轉(zhuǎn)動(dòng)一周在R上產(chǎn)生的焦耳熱為
                                         ⑧
其中                                                  ⑨
于是
                                 ⑩