Câu hỏi và bài tập tự luận vật lí 12 cánh diều

BÀI 3: CẢM ỨNG ĐIỆN TỪ

(17 CÂU)

1. NHẬN BIẾT (7 CÂU)

Câu 1: Từ thông là gì? Nêu đơn vị của từ thông.

Trả lời:

- Xét một mặt có diện tích S (được coi là phẳng). Mặt S đó được đặt trong từ trường đều  - Xét một mặt có diện tích S (được coi là phẳng). Mặt S đó được đặt trong từ trường đều . Trên đường vuông góc với mặt S, vẽ vecto pháp tuyến  của mặt S. Chiều của  có thể chọn tùy ý. Góc hợp bởi  và  được kí hiệu là α.

Đặt:

Đại lượng  được gọi là cảm ứng từ thông qua diện tích S, gọi tắt là từ thông qua diện tích S.

- Trong hệ SI, từ thông có đơn vị là weber (Wb) - Trong hệ SI, từ thông có đơn vị là weber (Wb)

1 Wb = 1 T.1 m².

Câu 2: Hiện tượng cảm ứng điện từ là gì?

Trả lời:

- Dòng điện xuất hiện khi có sự biến thiên từ thông qua mạch điện kín được gọi là dòng điện cảm ứng. Suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch kín được gọi là suất điện động cảm ứng. - Dòng điện xuất hiện khi có sự biến thiên từ thông qua mạch điện kín được gọi là dòng điện cảm ứng. Suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch kín được gọi là suất điện động cảm ứng.

- Khi có sự biến thiên của từ thông qua một mặt giới hạn bởi một mạch kín thì trong mạch xuất hiện suất điện động cảm ứng. Hiện tượng xuất hiện suất điện động cảm ứng là hiện tượng cảm ứng điện từ và hiện tượng này chỉ tồn tại trong khoảng thời gian từ thông qua mạch kín biến thiên. - Khi có sự biến thiên của từ thông qua một mặt giới hạn bởi một mạch kín thì trong mạch xuất hiện suất điện động cảm ứng. Hiện tượng xuất hiện suất điện động cảm ứng là hiện tượng cảm ứng điện từ và hiện tượng này chỉ tồn tại trong khoảng thời gian từ thông qua mạch kín biến thiên.

Câu 3: Phát biểu nội dung định luật Lenz về chiều dòng điện cảm ứng.

Trả lời:

- Dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra có tác dụng chống lại sự biến thiên của từ thông qua mạch kín. - Dòng điện cảm ứng có chiều sao cho từ trường do nó sinh ra có tác dụng chống lại sự biến thiên của từ thông qua mạch kín.

Câu 4: Phát biểu nội dung định luật Faraday về suất điện động cảm ứng.

Trả lời:

- Độ lớn suất điện động cảm ứng trong mạch kín tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch kín đó. - Độ lớn suất điện động cảm ứng trong mạch kín tỉ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua mạch kín đó.

- Công thức xác định suất điện động cảm ứng là - Công thức xác định suất điện động cảm ứng là

và có đơn vị là vôn (V).

Câu 5: Sóng điện từ là gì?

Trả lời:

- Trường điện từ lan truyền trong không gian được gọi là sóng điện từ. - Trường điện từ lan truyền trong không gian được gọi là sóng điện từ.

- Trong quá trình truyền sóng điện từ, tại một điểm, cường độ điện trường và cảm ứng từ biến thiên cùng pha theo các phương vuông góc với nhau và cùng vuông góc với phương truyền sóng. - Trong quá trình truyền sóng điện từ, tại một điểm, cường độ điện trường và cảm ứng từ biến thiên cùng pha theo các phương vuông góc với nhau và cùng vuông góc với phương truyền sóng.

Câu 6: Mô tả về điện trường biến thiên và từ trường biến thiên.

Trả lời:

- Điện trường biến thiên theo thời gian sẽ làm xuất hiện từ trường. - Điện trường biến thiên theo thời gian sẽ làm xuất hiện từ trường.

- Khi một từ trường biến thiên theo thời gian sẽ sinh ra một điện trường xoáy trong không gian xung quanh và ngược lại, khi một điện trường biến thiên theo thời gian sẽ sinh ra một từ trường biến thiên theo thời gian trong không gian xung quanh. - Khi một từ trường biến thiên theo thời gian sẽ sinh ra một điện trường xoáy trong không gian xung quanh và ngược lại, khi một điện trường biến thiên theo thời gian sẽ sinh ra một từ trường biến thiên theo thời gian trong không gian xung quanh.

Câu 7: Nêu những tác hại của dòng điện xoáy trong lòng ống dây có dòng điện xoay chiều chạy qua.

Trả lời:

- Thứ nhất, nhiệt lượng do dòng điện xoáy toả ra sẽ làm cho lõi sắt bị nóng có thể làm hỏng máy. - Thứ nhất, nhiệt lượng do dòng điện xoáy toả ra sẽ làm cho lõi sắt bị nóng có thể làm hỏng máy.

- Thứ hai, dòng điện xoáy là dòng điện cảm ứng nên theo định luật Lenz, từ trường do nó sinh ra luôn có xu hướng chống lại nguyên nhân đã gây ra nó. Trong trường hợp động cơ điện, từ trường này chống lại sự quay của động cơ. Do đó, nó làm giảm công suất của động cơ. - Thứ hai, dòng điện xoáy là dòng điện cảm ứng nên theo định luật Lenz, từ trường do nó sinh ra luôn có xu hướng chống lại nguyên nhân đã gây ra nó. Trong trường hợp động cơ điện, từ trường này chống lại sự quay của động cơ. Do đó, nó làm giảm công suất của động cơ.

2. THÔNG HIỂU (4 CÂU)

Câu 1: Một khung dây hình vuông có cạnh dài 3 cm được đặt trong một từ trường đều có độ lớn cảm ứng từ B = 0,08 T, mặt phẳng khung dây vuông góc với vecto cảm ứng từ. Tìm độ lớn từ thông qua khung dây.

Trả lời:

Đổi: 3 cm = 0,03 m

Vì vecto cảm ứng từ vuông góc với mặt phẳng vòng dây nên α = 0.

Độ lớn của từ thông qua vòng dây là:

Câu 2: Một cuộn dây có 250 vòng dây và tiết diện mặt cắt ngang là 0,1 m² được đặt trong một từ trường đều có độ lớn 2.10 -3 T vuông góc với mặt phẳng vòng dây. Tính độ lớn của từ thông qua cuộn dây?

Trả lời:

Vì vecto cảm ứng từ vuông góc với mặt phẳng vòng dây nên α = 0.

Độ lớn của từ thông qua 1 vòng dây là:

Độ lớn của từ thông qua cuộn dây là:

Câu 3: Một vòng dây dẫn phẳng có diện tích 0,2 m² được đặt trong một từ trường đều có độ lớn cảm ứng từ là 0,03 T. Biết vecto đơn vị pháp tuyến của mặt phẳng khung dây hợp với vecto cảm ứng từ một góc 45⁰. Tính từ thông qua vòng dây này.

Trả lời:

Ta có α = 45⁰

Độ lớn của từ thông qua vòng dây là:

Câu 4: Một đoạn dây dẫn thẳng dài 0,2 m chuyển động với tốc độ không đổi 3,0 m/s theo hướng vuông góc với cả đoạn dây và từ trường đều. Biết độ lớn cảm ứng từ của từ trường là 0,1 T. Tính độ lớn suất điện động cảm ứng ở hai đầu dây.

Trả lời:

Do đoạn dây chuyển động theo hướng vuông góc với từ trường đều nên độ lớn của suất điện động cảm ứng là:

e_c = Blv = 0,1.0,2.3,0 = 6.10 -2 V

3. VẬN DỤNG (4 CÂU)

Câu 1: Xét một khung dây dẫn hình vuông có cạnh 6 cm được đặt trong từ trường đều có độ lớn cảm ứng từ là 7.10 -3 T. Biết vecto pháp tuyến của mặt phẳng khung dây hợp với vecto cảm ứng từ một góc 45⁰. Tính độ lớn suất điện động cảm ứng từ qua khung dây giảm đều về 0 trong khoảng thời gian 0,01 s.

Trả lời:

Diện tích khung dây: S = 6.6 = 36 cm² = 36.10 -4 m²

Từ thông qua khung dây dẫn khi cảm ứng từ có độ lớn 7.10 -3 T là:

Từ thông qua khung dây khi cảm ứng từ có độ lớn 0 T là:

Độ lớn suất điện động cảm ứng sinh ra trong khung dây:

Câu 2: Một cuộn dây có 2500 vòng và tiết diện mặt cắt 1,2 cm² được đặt giữa hai cực của nam châm sao cho từ thông đi qua vuông góc với cuộn dây. Độ lớn cảm ứng từ là 0,5 T. Cuộn dây bị kéo nhanh ra khỏi từ trường trong thời gian 0,1 s. Tính độ lớn suất điện động cảm ứng từ qua cuộn dây.

Trả lời:

Vì vecto cảm ứng từ vuông góc với mặt phẳng vòng dây nên α = 0.

Độ lớn của từ thông qua 1 vòng dây là:

Độ lớn của từ thông qua cuộn dây là:

Độ lớn suất điện động cảm ứng từ qua cuộn dây là:

Câu 3: Một đoạn dây dây dài 0,2 m chuyển động với tốc độ ổn định 3 m/s vuông gốc trong một từ trường đều có độ lớn cảm ứng từ là 0,1 T. Sử dụng định luật Faraday để xác định suất điện động cảm ứng trên đoạn dây.

Trả lời

Trên hình vẽ ta có trong 1 s, đoạn dây di chuyển được 3m

Độ lớn của từ thông qua đoạn dây là:

Độ lớn suất điện động cảm ứng từ qua cuộn dây là:

Câu 4: Một cuộn dây có 200 vòng có điện trở 2 Ω, diện tích mỗi vòng dây là 0,01 m² được đặt cố định trong từ trường đều cho cho vecto cảm ứng từ vuông góc với mặt phẳng khung dây. Biết cường độ dòng điện trong mạch là 0,3 A. Tìm tốc độ biến thiên cảm ứng từ qua mạch.

Trả lời:

Ta có: I = 0,3 A nên ξ = IR = 0,3.2 = 0,6 V

Lại có:

4. VẬN DỤNG CAO (2 CÂU)

Câu 1: Cho một khung dây dẫn kín đồng chất, cứng, hình chữ nhật ABCD. Biết AB = a = 20 cm, BC = b = 10 cm. Khung dây dẫn được đặt trong từ trường đều sao cho cảm ứng từ vuông góc với mặt phẳng khung dây. Biết rằng trong khoảng thời gian Δt = 0,02 s, độ lớn cảm ứng từ B giảm đều từ B₀ = 0,92 T đến B = 0,32 T. Tính độ lớn của suất điện động cảm ứng và xác định chiều của dòng điện cảm ứng xuất hiện trong khung dây.

Trả lời:

Diện tích khung dây: S = a.b = 0,2.0.1 = 0,02 m²

Vì cảm ứng từ vuông góc với mặt phẳng khung dây nên: 

Độ lớn suất điện động cảm ứng:

Độ lớn cảm ứng từ giảm, từ thông qua mạch giảm nên từ trường cảm ứng và từ trường ban đầu cùng hướng.

Áp dụng quy tắc nắm bàn tay phải suy ra chiều của dòng điện cảm ứng xuất hiện trong khung cùng chiều kim đồng hồ.

Câu 2: Một khung dây dẫn hình chữ nhật có N = 500 vòng dây diện tích S = 10 cm², quay đều với tốc độ 50 vòng/giây quanh một trục vuông góc với các đường sức của một từ trường đều có độ lớn cảm ứng từ là 0,05 T. Chọn gốc thời gian t = 0 là lúc vecto pháp tuyến  của diện tích S của khung dây cùng chiều với vecto cảm ứng từ  và chiều dương là chiều quay của khung dây.

a) Viết biểu thức xác định từ thông qua khung dây.

b) Viết biểu thức xác định suất điện động xuất hiện trong khung dây.

Trả lời:

a) Khung dây dẫn quay đều với tốc độ góc: ω = 50.2π = 100π (rad/s).

Tại thời điểm ban đầu t = 0, vectơ pháp tuyến  của diện tích S của khung dây có chiều trùng với chiều vectơ cảm ứng từ  của từ trường. Đến thời điểm t, pháp tuyến  của khung dây đã quay được một góc bằng ωt. Lúc này từ thông qua khung dây là: Φ = NBScos(ωt).

Như vậy, từ thông qua khung dây biến thiên điều hoà theo thời gian với tần số góc ω và với giá trị cực đại (biên độ) là  

Thay N = 500, B = 0,05 T, S = 10 cm² = 10.10 -4 m² và ω = 100π (rad/s) ta được biểu thức của từ thông qua khung dây là: (Wb).

b) Từ thông qua khung dây biến thiên điều hoà theo thời gian, theo định luật cảm ứng điện từ của Faraday thì trong khung dây xuất hiện một suất điện động cảm ứng.

Suất điện động cảm ứng xuất hiện trong khung dây được xác định theo công thức:

Thay N = 500, B = 0,05 T, S = 10 cm² = 10.10 -4 m² và ω = 100π (rad/s), ta được biểu thức xác định suất điện động xuất hiện trong khung dây là: