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文档简介
2025届高三物理一轮复习多维度导学与分层专练
专题65电磁感应中的双棒问题
导练目标导练内容
目标1无外力等距式双棒问题
目标2有外力等距式双棒问题
目标3无外力不等距式双棒问题
目标4有外力不等距式双棒问题
【知识导学与典例导练】
模型规律
1、电流大小:j引彩引(岭2
R]+7?2&+R?
J
-12、稳定条件:两棒达到共同速度
3、动里关系:mv=(m+m)v
d2Qx2
12
无外)等是巨¥t(导寺丸光滑)4、能量关系:77;c
~^m2vo=~(m+m川%舁=?
Jl2+Q
2222K2
1、电流大小:1_BM_Bl'
&+尺2
午
2、力学关系:";F_Fo(任意时刻两棒加速
a[=-a2=------
mm
t2x2
度)
有外;1等总目t(导才丸光滑)
J33、稳定条件:当az=ai时,V2-V1恒定;I恒定;FA恒定;两
棒匀加速。
4、稳定时的物理关系:
F=(ml+m2)aFA-mxa
FA=BU=B贽谓
v_v=(&+R?)m】F
122
2Bl(mx+m2)
;
1、动里关系:_BL11At=—m1Vo——0
2、稳定条件:眼匕=即眩
3、最终速度:
m,Z2?m.KL
V]=------------------T%V2=------------------T
叫片+m2Z[叫后+叫4
无外力不等距式4、能量关系:
121212
Q.班%-5m14-222
(导轨光滑)
5、电量关系:
BL2q=m-,v0-0
F为恒力,则:
1、稳定条件:两棒做匀加速直线运动
llal-12az,I恒定'
;/]〃]=I?。?;
m一
1加2
有外力不等距式
F=_I2—F;F=—1/2m2_p,
3、常用结果:
(导轨光滑)AlA2片加2+Ig’
lfm2+班
〃2
%二¥F;
;叫+
lfm2+/;叫1
此时回路中电流为:/=才丝^—•£与两棒电阻无关
/]叫+,2叫B
一、无外力等距式双棒问题
【例1】如图,水平面内固定有两根平行的光滑长直金属导轨,导轨间距为/,电阻不计。
整个装置处于两个磁感应强度大小均为夙方向相反的竖直匀强磁场中,虚线为两磁场的分
界线,质量均为根的两根相同导体棒MN、PQ静置于图示的导轨上(两棒始终与导轨垂直
且接触良好)。现使MN棒获得一个大小为物、方向水平向左的初速度,则在此后的整个运
动过程中()
A.两棒受到的安培力冲量大小相等,方向相反
B.两棒最终的速度大小均为年
C.MN棒产生的焦耳热为皿
4
D.通过PQ棒某一横截面的电荷量为筹
【答案】D
【详解】A.根据右手定则知,回路中产生沿NMP0N方向的感应电流,根据左手定则可知,
MN棒受到的安培力水平向右,尸。棒受到的安培力也水平向右,且两棒受到的安培力大小
相等,则两棒受到的安培力冲量大小相等,方向相同,选项A错误;
B.当两棒产生的感应电动势大小相等,相互抵消,回路中感应电流为零时,两棒均做匀速
运动,达到稳定状态,稳定时,有=解得V/=V2对PQ棒,根据动量定理得
一。对MN棒,根据动量定理得
一/=mvi—mvo解得v/=V2=[■选项B错误;
ii2
C.根据能量守恒定律得20=3根v;—《根W+:加学)解得MN棒产生的焦耳热为0=等
选项C错误;
D.对PQ棒,根据动量定理得B7/4=mv2-0通过PQ棒某一横截面的电荷量为可得
q=箸选项D正确。故选口。
二、有外力等距式双棒问题
【例2】如图所示,U形光滑金属框仍cd置于水平绝缘平台上,他和de边平行,和be边垂
直。ab、de足够长,整个金属框电阻可忽略。一根具有一定电阻的导体棒MN置于金属框
上,用水平恒力P向右拉动金属框,运动过程中,装置始终处于竖直向下的匀强磁场中,MN
与金属框保持良好接触且与反边保持平行。经过一段时间后()
XxxMxxxX
a-----------------
XXXXXXX
f尸
XXXXXXX
d
XxxNxxxX
①金属框的速度大小趋于恒定值②金属框的加速度大小趋于恒定值
③导体棒所受安培力的大小趋于恒定值④导体棒到金属框be边的距离趋于恒定值
A.①②是正确的B.②③是正确的C.③④是正确的D.①④是正确的
【答案】B
【详解】由反边切割磁感线产生电动势,形成电流,使得导体棒受到向右的安培力,
做加速运动,be边受到向左的安培力,向右做加速运动。当运动时,金属框的儿边和
导体棒A/N一起切割磁感线,设导体棒MN和金属框的速度分别为匕和匕,则电路中的电
动势E=3〃匕-匕)电路中的电/=g=珑(>匕)
金属框和导体棒MV受到的安培力是框='*'一』与运动方向相反是MN='*,一巧)与
运动方向相同
2识丁幻
设导体棒和金属框的质量分别为必和〃2,则对导体棒MN'=mal对金属框
R1
=乃出初速度均为零,则%从零开始逐渐增加,出从看开始逐渐减小。当
FRfTL
。产出时,相对速度%-巧=28*(/+恤)大小恒定。
整个运动过程用速度时间图像描述如下
综上可得,金属框的加速度趋于恒定值,安培力也趋于恒定值,②③正确;金属框的速度
会一直增大,导体棒到金属框加边的距离也会一直增大,①④错误。故选B。
三、无外力不等距式双棒问题
【例3】两根相互平行、足够长的光滑金属导轨固定于水平桌面上,左侧AC-4。
轨道间距为L右侧轨道间距为23导轨所在区域存在方向竖直向下的匀强磁场,
磁感应强度大小为瓦如图所示,两横截面积相同、由同种金属材料制成的导体棒。、6分
别置于导轨的左右两侧,己知导体棒。的质量为m.某时刻导体棒a获得一个初速度vo开始
向右运动,导体棒始终与导轨接触良好,导轨电阻不计。关于导体棒以后的运动,下列说法
正确的是()
A.导体棒a、6运动稳定后,相等时间内通过的位移之比是2KL
42
B.导体棒〃、匕运动稳定后的速度分别为匕=y%,为=W%
C.从开始到运动稳定的过程中,通过导体棒a的电荷量为桀
D.从开始到运动稳定的过程中,导体棒6产生的热量为上机说
【答案】AD
【详解】A.设导体棒a的电阻为R,则导体棒b的质量为2冽、电阻为2凡导体棒。获得
向右的初速度后,导体棒。、6与导轨组成的回路产生感应电流,根据楞次定律可判断出导
体棒。受向左的安培力,开始向右做减速运动;导体棒6中电流方向与a相反,受到向右的
安培力,开始向右做加速运动,同时产生与a相反的感应电动势,因此电路中感应电动势为
E=BLv«-2BLVb当。、6产生的感应电动势大小相等时,即
BLva=2BLvh;匕=2Vb电路中电流为零,此后导体棒a、b将分别以va,vb做匀速运动,相
等时间内通过的位移之比是2如,故A正确;
B.在导体棒从开始运动到稳定运动的过程中,根据动量定理列方程,取向右为正方向,对
__2
导体棒〃,有-B/Lf=mv。-m%;对导体棒。,有25必=2加以联立以上三式解得吃
匕,=;%故B错误;
C.由于通过导体棒的电荷量为q=方根据以上分析可得-BqL=mva-mv0解得“=饕故c
错误;
D.在整个过程中由能量守恒定律知,整个电路中产生的焦耳热为
2=|mvl-1成一12喻=:〃畸
由于a、b棒产生的热量之比为焦弓因此导体棒b产生的热量2=为=[就故D正确。
必,39
故选ADo
四、有外力不等距式双棒问题
【例4】如图所示,两电阻不计的光滑平行导轨水平放置,部分的宽度为2/,PQ部分
的宽度为/,金属棒。和6的质量分别为2根和小,其电阻大小分别为2R和R,。和6分别静
止在和尸。上,垂直于导轨且相距足够远,整个装置处于方向竖直向下的匀强磁场中,
磁感应强度大小为8。现对金属棒。施加水平向右的恒力F,两棒运动时始终保持平行且。
总在MN上运动,6总在PQ上运动,经过足够长时间后,下列说法正确的是()
p
Q
N
A,回路中的感应电动势为零
B.流过金属棒”的电流大小为二
C.金属棒。和6均做匀速直线运动
D.金属棒。和b均做加速度相同的匀加速直线运动
【答案】B
【详解】ACD.对的整体分析,由于受恒定拉力作用,则经过足够长时间后最终达到稳定
状态,此时回路中的感应电动势保持恒定,则回路中的电流恒定,设两棒的加速度为%、
如有-引心+%加)由于电动势恒定,则对上式两边求变化率有
0=2Blaa-Blab则可得为=2aa
故ACD错误;
F
B.根据受力分析,由牛顿第二定律得尸-七.=2根a”;F女b=mah;是广与〃联立解得/==
JBI
由于金属棒a,b串联,则流过。的电流大小也为二,故B正确。故选B。
【多维度分层专练】
1.如图所示,足够长的水平光滑金属导轨所在空间中,分布着垂直于导轨平面方向竖直向
上的匀强磁场,磁感应强度大小为8。两导体棒〃、6均垂直于导轨静止放置。已知导体棒
。质量为2租,导体棒b质量为",;长度均为/,电阻均为,;其余部分电阻不计。现使导体
棒〃获得瞬时平行于导轨水平向右的初速度可。除磁场作用外,两棒沿导轨方向无其他外力
作用,在两导体棒运动过程中,下列说法正确的是()
B
ba
A.任何一段时间内,导体棒人动能增加量跟导体棒。动能减少量的数值总是相等的
B.任何一段时间内,导体棒匕动量改变量跟导体棒。动量改变量总是大小相等、方向相反
C.全过程中,通过导体棒〃的电荷量为之答
D.全过程中,b棒共产生的焦耳热为皿
6
【答案】BCD
【详解】AB.根据题意可知,两棒组成回路,电流相同,故所受安培力合力为零,动量守
恒,故任何一段时间内,导体棒b动量改变量跟导体棒。动量改变量总是大小相等、方向相
反,根据能量守恒可知,。动能减少量的数值等于6动能增加量与产热之和,故A错误B正
确;
CD.最终共速速度2=(2MI+MI)V对方棒机y-O=B万j=解得q=W曾根据能量守恒,
3BI
两棒共产生的焦耳热为。=gx2w;(2m+间”2=等而由于两棒的电阻大小相等,因此
。棒产生的焦耳热为
2=’。=吗故CD正确。故选BCD。
26
2.如图所示,固定于水平面内的电阻不计的足够长光滑平行金属导轨间距为L质量均为
m、阻值均为R的金属棒仍、力垂直搁置于导轨上,磁感应强度为B的匀强磁场垂直于导
轨平面向上某一时刻同时给仍、帚以平行于导轨的初速度%、2%。则两棒从开始运动至
达到稳定速度的过程中()
B
A.仍中的最大电流为当粤
B.仍达到稳定速度时,其两端的电压为0
C.仍速度为*时,其加速度比4的小D.ab、加间距增加了2罂
BL
【答案】AD
【详解】A.根据右手定则,回路产生顺时针的感应电流,根据左手定则,cd所受安培力向
左做减速运动,仍所受安培力向右做加速运动,故回路中的感应电动势为E=
所以,回路中感应电动势逐渐减小,感应电流逐渐减小,稳定时回路中感应电流为零,两根
杆以相同的速度运动。故初始时刻电流最大
I_BLx2v-BLv_BLv
000A正确;
m2R2R
一3
B.两杆组成的系统合外力为零,动量守恒,可得加为+根-2%=2mv解得!/=]%稳定时棒两
端电压为
3
U^BLv=-BLv0,B错误;
C.根据牛顿第三定律,稳定前两棒所受安培力大小相等,方向相反,两棒的加速度也大小
相等,方向相反,C错误;
D.设a。、cd间距增加了X,对回路4=了・加;7=—;£=—;△①=3Lx故4=%^对
2RAt2R
_3YYTX)R
。。根据动量定理得丽,=5%=机-机%解得%二样号,D正确。故选AD。
2BL
3.如图,空间存在竖直向下的匀强磁场,磁感应强度大小为及有两根完全相同的金属棒
a和b垂直静置于水平光滑平行金属导轨上。导轨间距为L电阻不计,金属棒与导轨接触
良好,两根金属棒质量均为加电阻均为凡某时刻给a施加一个水平向右的恒力凡关于
a,b棒最终的状态,下列说法正确的是(
X£XXXX
XXXXX
F
XXXXX
XXXXX
A.a、b棒处于相对静止的状态B.。棒受到的安培力与尸是一对平衡力
F
C.6棒的加速度为丁D.回路中的电功率为券不
2m
【答案】CD
【详解】A.开始时。棒在拉力和安培力作用下加速运动,此时速度较小,安培力较小,加
速度较大,。棒在安培力作用下做加速运动,此时安培力较小,加速度较小,。速度增加的
比6快,则根据
回路电动势增加,安培力增加,则a加速度减小,。加速度增加,最终稳定时,
两棒的速度差恒定即加速度相同,安培力不再变化,故,相对于6向右运动,故A错误;
B.由上分析可知,拉力尸大于。受到的安培力,故B错误;
C.最终稳定时,两棒受到的安培力等大反向,对整体根据牛顿第二定律尸=2〃必解得a
2m
故C正确;
D.对a,根据牛顿第二定律尸-3〃=3对b,根据牛顿第二定律B辽=解得回
RF-
路中的电功率尸=2灯2=故D正确。故选CD。
2BQ
4.如图所示,光滑金属导轨V、N互相平行,相距为L两金属棒。和b垂直于导轨且紧
靠着放置,它们的质量均为相,在两导轨之间的电阻均为凡整个装置位于水平面内,处于
磁感应强度大小为夙方向竖直向下的匀强磁场中,导轨电阻忽略不计,长度足够长。f=0
时刻对棒a施加一平行于导轨的恒力F,在t=ti时刻电路中电流恰好达到稳定,然后在
片4+加时刻撤去力凡则()
M
B
N
A.0时刻两金属棒的加速度相同
FRAt
B.在力(h+Z)时间内a、b两棒位移之差为-pF
C.撤去力厂后,导轨之间的电势差UMN逐渐增大
D.撤去力尸后,两个导体棒最终速度为驾3
2m
【答案】ABD
【详解】A.。棒在拉力F作用下向右做加速运动切割磁感线,与6棒组成回路,所以6棒
在安培力作用下向右做加速运动,电路中的总电动势为E=。棒做加速度减小
的加速,b棒做加速度增大的加速,当加速度相等时,电路中的电流恒定,故〃时刻两金属
棒的加速度相同,A正确;
B.力时刻由牛顿第二定律,对a:F-BIL=ma-,对bBIL=ma故F—BIL=BIL艮口F=2BIL
FR
E=BLv-BLv=BLAv解得Av=5+Z)时间内,两杆速度差保持不变,
abPF因为在订〜
FRAt
故a、。两棒位移之差为Ax=△必/B正确;
C.撤去力产后,由闭合电路欧姆定律可知=E/R=BLv-.R=
aB"2R”2
由动量守恒可知
叫+加%=C即%+%=K所以恒定,C错误;
D.撤去力尸后,两个导体棒水平方向合外力为零,动量守恒,最终二者共速,设共速速度
为丫。全过程两金属棒受到的安培力始终等大、反向,作用时间相等,故安培力对两金属棒
的冲量等大、反向。设全过程安培力对金属棒的冲量大小为/室规定向右为正方向,对金
属棒。应用动量定理可得
尸&+加)-%=机丫-0对b应用动量定理可得/安=根丫-0联立可得射=幺纭丝,D正确。
故选ABD。
5.如图所示,导体棒队。分别置于平行光滑水平固定金属导轨的左右两侧,其中。棒离宽
轨道足够长,b棒所在导轨无限长,导轨所在区域存在垂直导轨所在平面竖直向下的匀强磁
场,磁感应强度大小为瓦已知导体棒的长度等于导轨间的距离,导体棒粗细均匀,材质相
同,。棒的质量为"z,电阻为R,。棒的长度为L,b棒的长度为2L。现给导体棒。一个水
平向右的瞬时冲量/。导体棒始终垂直于导轨且与导轨接触良好,不计导轨电阻,关于导体
棒以后的运动,下列说法正确的是()
XXX
xxBb
a1
XXX
A.导体棒〃稳定运动后的速度为「
3m
B.导体棒6稳定运动后的速度为舁
5m
C.从开始到稳定运动过程中,通过导体棒。的电荷量为二7
JDL
[2
D.从开始到稳定运动过程中,导体棒b产生的热量为」—
18m
【答案】AC
【详解】AB.导体棒a受向右的瞬时冲量I,由动量定理可知导体棒的初速度%=,导体棒
m
开始向右运动后,受安培力作用做减速运动,导体棒b受安培力作用开始向右做加速运动,
当两棒产生的感应电动势大小相等时,回路中的电流是零,两棒不在受安培力作用,均做匀
速直线运动,达到稳定状态,则有比均=32人
解得a二2%对a棒,由动量定理得—57Z/AUnwa—根vo对b棒,由动量定理得B/2L^t=2mvb
v=--,A正确,B错误;
b3m
C.设从开始到稳定运动中,经导体棒〃的电荷量为<7,则有4=7•加结合
解得。=翳=£,
c正确;
JDLJDL
D.从开始到稳定运动中,对整个电路,由能量守恒定律可得+相4+。解
T2
得
om
iT22"
Q=—Q=---;Qb=—。=—,D错误。故选AC。
a318mb39m
6.如图,足够长的平行光滑金属导轨“、N固定在水平面上,虚线C。左侧导轨间距为23
右侧导轨间距离为心垂直导轨平面有竖直方向的匀强磁场,以。。为分界线,左侧磁感应
强度大小为8、方向向下;右侧磁感应强度大小为28、方向向上。导体棒a、b垂直导轨放
置,棒与导轨始终接触良好,导轨电阻不计。现使棒。获得一向左的水平速度为,在两棒之
后的运动中,导轨M、N两端的电势差"网,导体棒。、。的速度匕、%,以及棒。、6受到
的安培力工、凡与时间/的关系,下列图像大致正确的有()
【答案】AB
【详解】BC.导体棒。向左运动,穿过闭合回路的磁通量发生变化,产生感应电流,根据楞
次定律和左手定则可知,。受到的安培力向右、6受到的安培力向右,故。向左做减速运动,
。向右做加速运动,当穿过闭合回路的磁通量不再变化,回路不再有感应电流,两棒均做匀
速运动,匀速运动时应有B%x2L=22”
即得%=%当定义向左为正方向,B图大致正确,故B正确,C错误;
A.根据右手定则,导轨“、N两端的电势差"郎=-284+3也由于b棒开始做加速度减
小的加速度运动,当两棒产生的电动势大小相等时,回路中的电流为0,最后匀速运动,最
后M、N间的电压为BLv,A正确;
D.根据以上分析可知,两棒受到的安培力方向相同,故D错误。故选AB。
7.如图所示,。仍/C7力和a262c2d2为竖直放置且共面的金属导轨,处在垂直导轨平面(纸面)
向里的匀强磁场中磁感应强度为瓦导轨的㈤历段与42岳段距离为/,C/0段与C2心段距离
为2/。p、q为两根用不可伸长的绝缘轻线相连的金属细杆,质量分别为根和2〃Z,它们都垂
直于导轨并与导轨保持光滑接触。两杆与导轨构成的回路的总电阻为凡尸为作用于金属杆
q上的恒力,方向竖直向上。已知两杆运动到图示位置时,已匀速向上运动,则此时()
A.p杆受到的安培力方向竖直向下
B.p杆受到的安培力大小为八3?wg
C.p杆中的电流大小为与学
D.p杆匀速运动的速度大小为('二管"
【答案】BD
【详解】A.q杆和p杆在尸的作用下,竖直向上运动,两杆都切割磁感线,两杆上都产生
感应电动势,若将他们各自都看作电源,则根据右手定则,都是右边为正极,左边为负极,
这样两杆产生的电动势要进行抵消之后才是整个电路中总的电动势。即E=B2lv-Blv=Blv
闭合回路中的电流方向为逆时针。电流大小处处相等,根据左手定则判断,p杆受到的安培
力方向竖直向上,记为尸安。A错误;
B.因为q杆长度是p杆的两倍,故其受到的安培力大2尸安,方向竖直向下。系统做匀速直
线运动,受力平衡,对p、q组成的系统进行受力分析可得:/+/=27+3mg解得
是=P-3mg故B正确;
C.由q=迎=尸_3mg得I=F二段,C错误;
Bl
D.由F田BIl=B叫.尸得y=(.一3拶)尺,口正确。故选BD。
RB-l
8.如图所示,将两根质量均为机=2kg的金属棒“、b分别垂直地放在足够长的水平导轨
MNMN和PQP'Q'上,左右两部分导轨间距分别为0.5m和1m,左右两部分导轨间有磁感
应强度3=10T,方向相反的匀强磁场,两棒电阻与棒长成正比,不计导轨电阻,金属棒6
开始时位于图中/0位置,金属棒。在N。位置,金属棒6用绝缘细线绕过光滑定滑轮和一
物块c相连,c的质量?=3kg,c开始时距地面的高度/2=T2m。物块c由静止开始下落,
触地后不反弹,物块c触地时两棒速率之比匕:匕=1:2,物块c下落过程中方棒上产生的焦
耳热为20J,设导轨足够长且两棒始终在磁场中运动,g=10m/s2,整个过程中导轨和金属
棒接触良好,且导轨光滑,求:
(1)物块c触地时,6棒的速度大小;
(2)从6开始运动到。落地的过程中通过6棒的电荷量;
(3)从物块c触地后开始,到两棒匀速运动过程中系统产生的热量。
【答案】(1)8m/s;(2)1.6C;(3)28.8J
【详解】(1)金属棒6的有效长度分别为L和2L电阻分别为R和2R,金属棒a、b
串联,在任何时刻电流均相等,b棒产生的焦耳热Q=20J,根据焦耳定律。=尸放得。棒
上产生的焦耳热为Q=10J
根据能量守恒定律有?8为=3〃以+1■(加+?)片+Q1+。2根据题意有讪加6=1回2解得va=4
m/s,vb=8m/s
(2)对m由动量定理5辽•人方二加乜-0又“=//解得4=1.6C,〃与串联,相同时间通
过的电量相等,所以从》开始运动到c落地的过程中通过b棒的电荷量为1.6CO
(3)物块c触地后,〃棒向左做加速运动,。棒向右做减速运动,两棒最终匀速运动时电路
中电流为零,即两棒切割磁感线产生的感应电动势大小相等,设磁感应强度大小为3,则
BLVa'=B・2Lvb'得Va=2Vb
__V—V1
对两棒分别应用动量定理,有BILt=mvJ-mva;-BI心以二四:一加以解得‘^二不联立
'12
以上各式解得M=6.4m/s,W=3.2m/s根据能量守恒定律,从物块c触地到两棒匀速运动
的过程中系统产生的热量为
03=g根V;+;根V;-1mv;2-1mv'2代入数据,解得03=28.8J
9.如图(a)所示,在水平面内固定有两根平行且足够长光滑金属导轨MV、尸。,间距为L
电阻不计。以尸。上的。点为坐标原点,沿导轨建立如图所示的x轴。导轨间尤>0区域内
存在竖直向上的磁场,磁感应强度B随位置坐标x的变化规律如图(b)所示(图中1,d
已知)。金属棒。置于x=0处,金属棒6置于x>d的某处,两棒均与导轨垂直且始终接触
良好,电阻均为R,质量均为机。/=0时,锁定6棒,。棒获得瞬时初速度%并在拉力的作
用下开始做匀速直线运动。
(1)求。棒运动到x=d处回路中电流的大小;
(2)写出a棒从x=0处运动到x=d处的过程中回路中电流i与时间的关系式并求出此过程
中通过。棒的电荷量:
(3)当。棒运动到尤=d处时,撤去拉力,同时解锁6棒,假设a、b棒不会相碰,求此后
回路中产生的焦耳热。
M
图(a)
B°LVo
【答案】(1)曙;⑶*
2RR
【详解】(1)根据题意,由图(b)可知,。棒运动到x=d处时,此处的磁感应强度为练,
则感应电动势为;棒运动到尤处回路中电流的大小生=笔1
EQ=B0LVQa=d4=
2R2火
(2)根据题意,由图(b)可知,磁感应强度3与x的关系式为3=2为-修^(04尤Wd)由
于。棒获得瞬时初速度%并在拉力的作用下开始做匀速直线运动,设运动时间为七则有
%=即贝卜时刻,磁感应强度为
8=2为一驾感应电动势为E=BL%=2稣Z%-丝至04,4色感应电流为
dIvjd【v0J
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