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为了降低潜艇噪音,提高其前进速度,可用电磁推进器替代螺旋桨。潜艇下方有左、右两组推进器,每组由6个相同的用绝缘材料制成的直线通道推进器构成,其原理示意图如下。在直线
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为了降低潜艇噪音,提高其前进速度,可用电磁推进器替代螺旋桨。潜艇下方有左、右两组推进器,每组由6个相同的用绝缘材料制成的直线通道推进器构成,其原理示意图如下。在直线通道内充满电阻率 ρ =0.2Ω∙m的海水,通道中 a × b × c =0.3m×0.4m×0.3m的空间内,存在由超导线圈产生的匀强磁场,其磁感应强度 B =6.4T、方向垂直通道侧面向外。磁场区域上、下方各有 a × b =0.3mx0.4m的金属板 M 、 N ,当其与推进器专用直流电源相连后,在两板之间的海水中产生了从 N 到 M ,大小恒为 I =1.0×10 3 A的电流,设电流只存在于磁场区域。不计电源内阻及导线电阻,海水密度 ρ =1.0×103kg/m 3 。 (1)求一个直线通道推进器内磁场对通电海水的作用力大小,并判断其方向。 (2)在不改变潜艇结构的前提下,简述潜艇如何转弯?如何倒车? (3)当潜艇以恒定速度 v 0 =30m/s前进时,海水在出口处相对于推进器的速度 v =34m/s,思考专用直流电源所提供的电功率如何分配,求出相应功率的大小。 |
▼优质解答
答案和解析
(1) 用左手定则判断磁场对海水作用力方向向右(或与海水出口方向相同) (2)根据受力情况,通过开启、关闭推进器实现“转弯”,通过改变磁场力的方向实现“倒车”。 (3)4.6 10 4 W |
【解题思路】(1)海水作为通电直导线,长度为c,根据安培力公式F=BIL求解。 (2)根据受力情况,通过开启、关闭推进器实现“转弯”,通过改变磁场力的方向实现“倒车”。 (3)功率分为三部分:牵引力功率,由题意可得船受到的牵引力,由功率公式可求得牵引力的功率。热功率,电流流过导体必产生焦耳热,根据焦耳热公式 ,可求热功率。功率的第三部分是单位时间内海水动能的增加量,建立物理模型,设 时间内喷出海水的质量为m,求出m质量的海水在 时间内的动能增量 ,根据公式 ,可求解功率。 (1)将通电海水看成导线,所受磁场力: F=IBL ,代入数据得: F=IBc = 用左手定则判断磁场对海水作用力方向向右(或与海水出口方向相同) (2)考虑到潜艇下方有左、右2组推进器,可以开启或关闭不同个数的左、右两侧的直线通道推进器,实施转弯。改变电流方向,或者磁场方向,可以改变海水所受磁场力的方向,根据牛顿第三定律,使潜艇“倒车”。 (3)电源提供的电功率中的第一部分:牵引功率 ,根据牛顿第三定律: =12IBL 当 时,代入数据得: 第二部分:海水的焦耳热功率 对单个直线推进器,根据电阻定律: 代入数据得: 由热功率公式, 代入数据得: 第三部分:单位时间内海水动能的增加值 设 时间内喷出海水的质量为m, 考虑到海水的初动能为零, m= =12 =4.6 10 4 W 【考点定位】本题考查的是带点粒子在磁场中的运动、电功率、热功率等知识,考查电磁感应及安培力在生产生活中的应用,解题的关键在于明确题意,并要求学生能正确理解立体图形的含义,题目巧设问题情境,用活知识规律,使所学知识鲜活了起来。着眼于科技前沿,立足于高中课本知识的考题,一方 面考查了学生联想、迁移、分析的能力和科学素养、思维、学习习惯,另一方面也使学生感到:高新技术虽然“高”,而且“新”,可是同样是依赖于我们熟悉的传统的基础知识,并非 空中楼阁,高不可攀。本题对学生空间想象能力要求较高.题型新颖,综合性强,难度很大。 |
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