第四章第1节 划时代的发现第2节 探究感应电流的产生条件.docx
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第四章第1节划时代的发现第2节探究感应电流的产生条件
第1节 划时代的发现
第2节 探究感应电流的产生条件
1.知道什么是电磁感应现象. 2.理解产生感应电流的条件并会判断是否有感应电流产生.
3.会判断和计算磁通量的变化. 4.会利用电磁感应产生的条件解决实际问题.
一、划时代的发现
1.奥斯特梦圆“电生磁”
1820年,丹麦物理学家奥斯特发现载流导体能使小磁针偏转,这种作用称为电流的磁效应,揭示了电现象与磁现象之间存在密切联系.
2.法拉第心系“磁生电”
1831年,英国物理学家法拉第发现了电磁感应现象,即“磁生电”现象.他把引起电流的原因概括为五类:
变化的电流、变化的磁场、运动的恒定电流、运动的磁铁、在磁场中运动的导体.他把这些现象命名为电磁感应,产生的电流叫做感应电流.
1.
(1)奥斯特发现了电流的磁效应;法拉第发现了电磁感应现象.( )
(2)库仑发现了点电荷的相互作用规律;密立根通过油滴实验测定了元电荷的数值.( )
(3)安培发现了磁场对运动电荷的作用规律;洛伦兹发现了磁场对电流的作用规律.( )
提示:
(1)√
(2)√ (3)×
二、探究感应电流的产生条件
1.实验探究与分析论证
探究1:
导体棒在磁场中运动是否产生电流,如图甲所示.
实验操作
实验现象
(有无电流)
分析论证
导体棒静止
无
闭合电路包围的磁场面积变化时,电路中有感应电流产生;包围的磁场面积不变时,电路中无感应电流产生
导体棒平行
磁感线运动
无
导体棒切割
磁感线运动
有
探究2:
条形磁铁在螺线管中运动是否产生电流,如图乙所示.
实验操作
实验现象
(有无电流)
分析论证
N极插入线圈
有
线圈中的磁场变化时,线圈中有感应电流产生;线圈中的磁场不变时,线圈中无感应电流产生
N极停在线圈中
无
N极从线圈中抽出
有
S极插入线圈
有
S极停在线圈中
无
S极从线圈中抽出
有
探究3:
模拟法拉第的实验——改变线圈A中的电流,线圈B中是否产生电流,如图丙所示.
实验操作
实验现象
(线圈B中
有无电流)
分析论证
开关闭合瞬间
有
线圈B中磁场变化时,线圈B中有感应电流产生;磁场不变时,线圈B中无感应电流产生
开关断开瞬间
有
开关保持闭合,滑动
变阻器滑片不动
无
开关保持闭合,迅速移动滑动变阻器的滑片
有
2.归纳总结——感应电流的产生条件
只要穿过闭合导体回路的磁通量发生变化,闭合导体回路中就会产生感应电流.
2.
(1)只要闭合电路内有磁通量,闭合电路中就有感应电流产生.( )
(2)穿过螺线管的磁通量发生变化时,螺线管内部就一定有感应电流产生.( )
(3)线框不闭合时,即使穿过线框的磁通量发生变化,线框中也没有感应电流产生.( )
提示:
(1)×
(2)× (3)√
知识点一 对Φ和ΔΦ的理解
1.磁通量Φ
(1)概念:
在磁感应强度为B的匀强磁场中,垂直于磁场方向的面积为S,B与S的乘积叫做穿过这个面积的磁通量,即Φ=BS.若B与S不垂直,则Φ=BSsinθ,θ为磁感线与线圈平面的夹角.
(2)匀强磁场中磁通量的计算
①
B与S垂直时,Φ=BS.B指匀强磁场的磁感应强度,S为(磁场中)线圈的面积.
②B与S不垂直时,Φ=B⊥S.B⊥为B垂直于线圈平面的分量,如图所示,Φ=B⊥S=Bsinθ·S.
③某面积内有相反方向的磁场时,分别计算不同方向的磁场的磁通量,然后规定某个方向的磁通量为正,反方向的磁通量为负,求其代数和.
2.磁通量变化量的计算方法
计算方法
备注
B不变、S变
ΔΦ=B(S2-S1)
S1、S2表示
有效面积
B变、S不变
ΔΦ=S(B2-B1)
S表示有效面积
B和S都变
ΔΦ=B2S2-B1S1
S1、S2表示
有效面积
B和S大小
不变,θ变
ΔΦ=BS(sinθ2-sinθ1)
θ1、θ2表示磁场
与平面的夹角
磁通量变化的判断
如图所示,水平放置的扁平条形磁铁,在磁铁的左端正上方有一金属线框,线框平面与磁铁垂直,当线框从左端正上方沿水平方向平移到右端正上方的过程中,穿过它的磁通量的变化情况是( )
A.先减小后增大 B.始终减小
C.始终增大D.先增大后减小
[思路点拨] 弄清磁铁周围磁感线的分布是解题关键.
[解析] 线框在磁铁两端的正上方时穿过该线框磁通量最大,在磁铁中央时穿过该线框的磁通量最小,所以该过程中的磁通量先减小后增大,故A对.
[答案] A
回路面积变化引起磁通量变化的计算
如图所示,有一个100匝的线圈,其横截面是边长为L=0.20m的正方形,放在磁感应强度为B=0.50T的匀强磁场中,线圈平面与磁场垂直.若将这个线圈横截面的形状由正方形改变成圆形(横截面的周长不变),在这一过程中穿过线圈的磁通量改变了多少?
[解题探究]
(1)正方形变成圆形后,圆的半径如何求解?
(2)磁通量的大小与匝数有关吗?
(3)如何计算初、末磁通量Φ1和Φ2?
[解析] 线圈横截面为正方形时的面积
S1=L2=(0.20)2m2=4.0×10-2m2
穿过线圈的磁通量
Φ1=BS1=0.50×4.0×10-2Wb=2.0×10-2Wb
横截面形状为圆形时,其半径r=
=
横截面积大小S2=π
=
m2
穿过线圈的磁通量
Φ2=BS2=0.50×
Wb≈2.55×10-2Wb
所以,磁通量的变化ΔΦ=Φ2-Φ1=(2.55-2.0)×10-2Wb=5.5×10-3Wb.
[答案] 5.5×10-3Wb
线圈转动引起的磁通量的变化量的计算
如图所示的线框abcd面积为S,处于磁感应强度为B的匀强磁场中,磁场方向与线框平面成θ角,当线框以ab为轴顺时针转90°到虚线位置时,试求:
(1)初、末位置穿过线框的磁通量大小Φ1和Φ2;
(2)磁通量的变化量ΔΦ.
[解题探究]
(1)Φ1和Φ2的正负关系是怎样的?
(2)线框平面在垂直于磁感线方向的投影面积是多大?
[解析]
(1)法一:
在初始位置,把面积向垂直于磁场方向进行投影,可得垂直于磁场方向的面积为S⊥=Ssinθ,所以Φ1=BSsinθ.在末位置,把面积向垂直于磁场方向进行投影,可得垂直于磁场方向的面积为S′⊥=Scosθ.由于磁感线从反面穿入,所以Φ2=-BScosθ.
法二:
如图所示,把磁感应强度B沿垂直于面积S和平行于面积S进行分解,得B上=Bsinθ,B左=Bcosθ
所以Φ1=B上S=BSsinθ.
Φ2=-B左S=-BScosθ.
(2)开始时B与线框平面成θ角,穿过线框的磁通量Φ1=BSsinθ;当线框平面按顺时针方向转动时,穿过线框的磁通量减少,当转动θ时,穿过线框的磁通量减少为零,继续转动至90°时,磁感线从另一面穿过,磁通量变为“负”值,Φ2=-BScosθ.所以,ΔΦ=Φ2-Φ1=-BScosθ-BSsinθ=-BS(cosθ+sinθ).
[答案]
(1)BSsinθ -BScosθ
(2)-BS(cosθ+sinθ)
(1)磁通量虽有正负之分,但却是标量;
(2)当磁感线从相反侧面穿入同一个面时,磁通量一正一负.
知识点二 感应电流的产生条件及判断
1.感应电流产生的条件:
穿过闭合电路的磁通量发生变化.不论什么情况,只要满足电路闭合和磁通量发生变化这两个条件,就必然产生感应电流;反之,只要产生了感应电流,那么电路一定是闭合的,穿过该电路的磁通量也一定发生了变化.
2.判断感应电流有无的方法
(1)明确电路是否为闭合电路.
(2)判断穿过回路的磁通量是否发生变化.
导体或线圈运动类
(多选)如图所示,开始时矩形线框与匀强磁场的方向垂直,且一半在磁场内,一半在磁场外,若要使线框中产生感应电流,下列办法中可行的是( )
A.将线框向左拉出磁场
B.以ab边为轴转动(小于90°)
C.以ad边为轴转动(小于60°)
D.以bc边为轴转动(小于60°)
[解析] 将线框向左拉出磁场的过程中,线框的bc部分切割磁感线,或者说穿过线框的磁通量减少,所以线框中将产生感应电流.
当线框以ab边为轴转动(小于90°)时,线框的cd边的右半段在做切割磁感线运动,或者说穿过线框的磁通量在发生变化,所以线框中将产生感应电流.
当线框以ad边为轴转动(小于60°)时,穿过线框的磁通量在减小,所以在这个过程中线框内会产生感应电流.如果转过的角度超过60°(60°~300°),bc边将进入无磁场区,那么线框中将不产生感应电流.
当线框以bc边为轴转动时,如果转动的角度小于60°,则穿过线框的磁通量始终保持不变(其值为磁感应强度与矩形线框面积的一半的乘积).
[答案] ABC
磁感应强度或电流变化类
(多选)如图所示装置,在下列各种情况中,能使悬挂在螺线管附近的铜质闭合线圈A中产生感应电流的是( )
A.开关S接通的瞬间
B.开关S接通后,电路中电流稳定时
C.开关S接通后,滑动变阻器触头滑动的瞬间
D.开关S断开的瞬间
[解析] 通电螺线管相当于电磁铁,当开关接通瞬间,螺线管产生了磁场,穿过闭合线圈A的磁通量从无到有,发生了变化,所以产生感应电流,A项对;开关断开瞬间,A中磁通量从有到无,发生了变化,有感应电流产生,D项对;开关S接通后,电流稳定时,A中有磁通量,但磁通量没有变化,所以不会有感应电流产生,B项错;当滑动变阻器触头滑动时,电流改变.通电螺线管的磁场改变,A中磁通量也随之改变,有感应电流产生,C项对;正确答案为ACD.
[答案] ACD
(1)闭合回路中能否产生感应电流是由磁通量是否变化决定的,而与磁通量的大小无关,解题关键是分析题给条件的变化能否引起磁通量的变化.
(2)对于非匀强磁场和电流的磁场,要弄清磁感线的分布情况.
(3)导体切割磁感线不一定能产生感应电流.
典型问题——计算磁通量时应注意的问题
对磁通量及其公式的理解,应注意以下三个问题:
(1)磁通量的大小与匝数无关,即Φ≠NBS.
(2)Φ=BS中的S应指闭合回路中处于磁场中的那部分的有效面积.
(3)某一面内的磁感线既有穿出,又有穿进,则穿过该面的合磁通量为净磁感线的条数.
如图所示,a、b是两个同平面、同心放置的金属圆环,条形磁铁穿过圆环且与两环平面垂直,则穿过两圆环的磁通量Φa、Φb的大小关系为( )
A.Φa>Φb B.Φa<Φb
C.Φa=ΦbD.不能比较
[解析] 条形磁铁磁场的磁感线的分布特点是:
①磁铁内外磁感线的条数相同;②磁铁内外磁感线的方向相反;③磁铁外部磁感线的分布是两端密、中间疏.两个同心放置的同平面的金属圆环与磁铁垂直且磁铁在中央时,通过其中的磁感线的俯视图如图所示,穿过圆环的磁通量Φ=Φ进-Φ出,由于两圆环面积SaΦb,故A正确.
[答案] A
如图所示,abcd和ABCD是两个正方形闭合金属线框,abcd的边长是ABCD边长的
.在正方形abcd内部有垂直于纸面向里的匀强磁场,那么线框ABCD的磁通量Φ1和abcd的磁通量Φ2相比较( )
A.Φ1>Φ2 B.Φ1<Φ2
C.Φ1=Φ2D.不能确定
解析:
选C.对于穿过闭合回路的磁通量,S是指闭合导体回路中包含磁场的那部分有效面积,所以两者的有效面积是相同的,磁通量也是相同的,Φ1=Φ2,答案选C.
[随堂达标]
1.(2016·苏州中学高二检测)许多科学家在物理学发展过程中做出了重要贡献,下列说法中不正确的是( )
A.奥斯特发现了电流的磁效应,首次揭开了电与磁的联系
B.法拉第发现电磁感应现象,开辟了人类的电气化时代
C.楞次首先提出磁场对运动电荷有力的作用
D.库仑总结并确认了真空中两个静止电荷之间的相互作用规律
解析:
选C.奥斯特发现的电流的磁效应表明了电能生磁,A是正确的;法拉第发现的电磁感应现象表明磁能生电,B正确;洛伦兹首先提出磁场对运动电荷有力的作用,即洛伦兹力,所以C项是错误的;库仑总结并确认了真空中两静止电荷之间的相互作用规律,即库仑定律,D项正确.
2.如图所示,ab是水平面内一个圆的直径,在过ab的竖直平面内有一根通电直导线ef,已知ef平行于ab且位于ab的正上方.当ef向上竖直平移时,电流产生的磁场穿过圆的磁通量将( )
A.逐渐增大 B.逐渐减小
C.始终为零D.不为零,但保持不变
解析:
选C.
作出磁感线穿过圆的情况的俯视图.如图所示,根据磁场具有对称性可以知道,穿入圆的磁感线的条数与穿出圆的磁感线的条数是相等的,故磁通量为零,C项正确.
3.
(2016·青岛二中检测)如图所示,a、b、c三个闭合线圈放在同一平面内,当线圈a中有电流I通过时,穿过它们的磁通量分别为Φa、Φb、Φc,下列说法正确的是( )
A.Φa<Φb<ΦcB.Φa>Φb>Φc
C.Φa<Φc<ΦbD.Φa>Φc>Φb
解析:
选B.当a中有电流通过时,穿过a、b、c三个闭合线圈的向里的磁感线条数一样多,向外的磁感线的条数c最多,其次是b,a中没有向外的磁感线,因此根据合磁通量的计算方法,应该是Φa>Φb>Φc,选项B正确.
4.
(2016·杨浦区高二检测)如图所示,矩形导线框abcd与通电长直导线在同一平面内,下列情况线框中没有感应电流产生的是( )
A.线框向左平动
B.线框垂直纸面向纸外平动
C.以ab边为轴,cd边向纸外转动
D.整个框面以长直导线为轴转动
解析:
选D.越靠近导线磁场越强,当线框向左水平运动时,磁通量减小,故有感应电流;当线框垂直纸面向外平动时,磁通量减少,有感应电流;当以ab边为轴,cd边向外转动时,磁通量也减少,有感应电流;以长直导线为轴转动,线圈中的磁感线条数不变,磁通量不变化,无感应电流产生.故应选D.
5.
(选做题)在匀强磁场中有两条平行的金属导轨,磁场方向与导轨平面垂直,导轨上有两根可沿导轨自由移动的导电棒ab、cd(均与导轨垂直),这两个导电棒ab、cd的运动速度分别为v1、v2,如图所示,ab棒上有感应电流通过,则( )
A.一定是v1>v2B.一定是v1<v2
C.一定是v1≠v2D.一定是v1=v2
解析:
选C.对于由导轨和导电棒组成的闭合电路来说,要使导电棒ab上有感应电流通过,则穿过此闭合电路的磁通量必发生变化.对于匀强磁场来说,磁通量Φ=BS,根据题中条件,仅当穿过闭合电路的磁场的有效面积S发生变化时才有Φ的变化,因此应有v1≠v2,选项C正确.
[课时作业]
一、单项选择题
1.
六根绝缘的导线,在同一平面内组成四个相同的正方形,导线中通以大小相等的电流,方向如图所示.在这四个正方形区域中,指向纸面向里且合磁通量最大的区域是( )
A.ⅠB.Ⅱ
C.ⅢD.Ⅳ
解析:
选A.由于是直线电流的磁场,六支电流在每个区域都有磁感线的分布,只有逐一分析六支电流在每个区域的合磁通量,才能进行比较.假设每支电流的磁感线穿过相邻区域的有2条,穿过较远区域的有1条,这样可以作出穿过各区域的磁感线分布图,如图所示,分析可知选项A正确.
2.
如图所示,在条形磁铁的外面套着一个闭合金属弹簧线圈P,现用力从四周拉弹簧线圈,使线圈包围的面积变大,则下列关于穿过弹簧线圈磁通量的变化以及线圈中是否有感应电流产生的说法中,正确的是( )
A.磁通量增大,有感应电流产生
B.磁通量增大,无感应电流产生
C.磁通量减小,有感应电流产生
D.磁通量减小,无感应电流产生
解析:
选C.本题中条形磁铁磁感线的分布如图所示(从上向下看).
磁通量是指穿过一个面的磁感线的多少,由于竖直向上的和竖直向下的磁感线要抵消一部分,当弹簧线圈P的面积扩大时,竖直向下的磁感线条数增加,而竖直向上的磁感线条数是一定的,故穿过这个面的磁通量将减小,回路中会有感应电流产生.
3.
磁通量是研究电磁感应现象的重要物理量.如图所示,通有恒定电流的直导线MN与闭合线框abcd共面,第一次将线框由位置1平移到位置2,第二次将线框由位置1绕cd边翻转到位置2,设前后两次通过线框的磁通量变化分别为ΔΦ1和ΔΦ2,则( )
A.ΔΦ1>ΔΦ2
B.ΔΦ1=ΔΦ2
C.ΔΦ1<ΔΦ2
D.无法确定ΔΦ1和ΔΦ2的大小关系
解析:
选C.第一次将线框由位置1平移到位置2,磁感线从线框的同一侧穿入,ΔΦ1为前后两位置磁通量的绝对值之差.第二次将线框由位置1绕cd边翻转到位置2,磁感线从线框的不同侧穿入,ΔΦ2为前后两位置磁通量的绝对值之和,故ΔΦ1<ΔΦ2.选项C正确.
4.
一带电棒从闭合铜环附近经过(假定带电棒和铜环在同一光滑绝缘的平面内),如图所示,关于带电棒的运动情况,以下说法中正确的是( )
A.带电棒的速度不变化 B.带电棒的速度减小了
C.带电棒的速度增大了D.不能确定
解析:
选B.带电棒运动时等效为一个电流,这个电流在周围空间产生磁场,这个磁场随着带电棒位置的变化而变化,当带电棒经过闭合铜环附近时,穿过铜环的磁通量发生变化,在铜环中产生感应电流.在这一过程中,带电棒的一部分动能转化为铜环中的电能,因此带电棒的动能一定减小,对应的速度减小,故选项B正确.
5.
如图所示,一有限范围的匀强磁场,宽度为d,将一边长为l的正方形导线框以速度v向右匀速通过磁场区域,若d>l,则导线框中不产生感应电流的时间应等于( )
A.
B.
C.
D.
解析:
选C.当导线框刚刚完全进入磁场时至导线框刚刚出磁场时,穿过导线框的磁通量不发生变化,导线框中不会产生感应电流,对应的位移为(d-l),所以时间为t=
,选项C正确.
6.
为观察电磁感应现象,某学生将电流表、螺线管A和B、蓄电池、开关用导线连接成如图所示的实验电路.当接通和断开开关时,电流表的指针都没有偏转,其原因是( )
A.开关位置接错B.电流表的正、负极接反
C.线圈B的3、4接头接反D.蓄电池的正、负极接反
解析:
选A.因感应电流产生的条件是闭合电路中的磁通量发生变化,由电路图可知,把开关接在B与电流表之间,因与1、2接头相连的电路在接通和断开开关时,电流不改变,所以不可能有感应电流,电流表也不可能偏转,开关应接在A与电源之间.
二、多项选择题
7.下列情况中都是线框在磁场中做切割磁感线运动,则线框中有感应电流的是( )
解析:
选BC.选项A中穿过线框的磁通量没有发生变化,没有感应电流,选项A错误;选项B中穿过线框的磁感线条数越来越少,线框中有感应电流,选项B正确;选项C中磁场是非匀强磁场,运动过程中,穿过线框的磁感线条数增加,线框中有感应电流,选项C正确;选项D中穿过线框的磁感线条数不变,无感应电流,选项D错误.
8.(2016·河北高二检测)如图所示,用导线做成的圆形线圈与一直导线构成几种位置组合,图A、B、C中直导线都与圆形线圈在同一平面内,O点为线圈的圆心,图D中直导线与圆形线圈垂直,并与中心轴重合.当切断直导线中的电流时,圆形线圈中会有感应电流产生的是( )
解析:
选BC.对图A而言,因为通电直导线位于圆形线圈所在平面内,且与直径重合,因此穿过圆形线圈的磁通量为零,当切断直导线中的电流时,磁通量在整个过程中始终为零,所以圆形线圈中不会有感应电流产生;对图B而言,因为穿过圆形线圈的磁通量为大、小两个部分磁通量之差,当切断直导线中的电流时,磁通量为零,即此过程中磁通量有变化,故圆形线圈中会有感应电流产生;同理分析可得图C中也有感应电流产生;对图D而言,因为圆形线圈与直导线产生的磁场的磁感线平行,故磁通量为零,当切断直导线中的电流时,磁通量在整个过程中始终为零,所以圆形线圈中不会有感应电流产生.
9.
如图所示,一个金属薄圆盘水平放置在竖直向上的匀强磁场中,下列做法能使圆盘中产生感应电流的是( )
A.圆盘绕过圆心的竖直轴匀速转动
B.圆盘以某一水平直径为轴匀速转动
C.圆盘在磁场中向右匀速平移
D.磁感应强度均匀增加
解析:
选BD.只有当圆盘中的磁通量发生变化时,圆盘中才会产生感应电流.当圆盘绕过圆心的竖直轴匀速转动或圆盘在磁场中向右匀速平移时,圆盘中的磁通量不发生变化,不能产生感应电流,故选项A、C错误;当圆盘以某一水平直径为轴匀速转动或磁感应强度均匀增加时,圆盘中的磁通量发生变化,圆盘中将产生感应电流,故选项B、D正确.
10.如图所示,
金属线圈abcd放在水平光滑的金属导轨上并接触良好,匀强磁场的方向垂直于纸面向里,当线圈在磁场中向右运动时,下列说法正确的是( )
A.G1的指针发生偏转
B.G2的指针发生偏转
C.G1的指针不发生偏转
D.G2的指针不发生偏转
解析:
选AB.判断G1和G2的指针是否发生偏转,关键要弄清楚穿过G1和G2所在闭合回路中的磁通量是否发生变化.在线圈abcd向右运动的过程中,穿过线圈abcd的磁通量没有发生变化,因此该回路中没有感应电流,单就此回路来看,G2的指针不应该发生偏转,但是,穿过电流表G2、G1及导轨组成的闭合回路的磁通量不断增大,所以该回路中有感应电流产生,故电流表G1、G2的指针都发生偏转,选项A、B正确.
三、非选择题
11.如图甲所示,一个电阻为R、面积为S的矩形导线框abcd,水平放置在匀强磁场中,磁场的磁感应强度为B,方向与ad边垂直并与线框平面成45°角,O、O′分别是ab边和cd边的中点.现将线框右半边ObcO′绕OO′逆时针旋转90°到图乙所示位置,求在这一过程中,线框中磁通量的变化量为多少?
解析:
穿过线框aOO′d部分的磁通量在这一过程中不发生改变,因此本题只需分析ObcO′部分在初、末位置时的磁通量Φ1和Φ2,求出该部分在这一过程中磁通量的变化量即可.
Φ1=Bsin45°·
=
BS
Φ2=-Bcos45°·
=-
BS
ΔΦ=|Φ2-Φ1|=
BS.
答案:
BS
12.
边长L=10cm的正方形线框有10匝,固定在匀强磁场中,磁场方向与线框平面间的夹角θ=30°,如图所示,磁感应强度随时间的变化规律为B=2+3t(T),求:
(1)2s末穿过线框的磁通量.
(2)第3s内穿过线框的磁通量的变化量ΔΦ.
解析:
(1)2s末穿过线框的磁感应强度
B2=(2+3×2)T=8T,
由Φ=BSsinθ,知2s末穿过线框的磁通量
Φ=B2Ssinθ=8×(0.1)2×sin30°Wb=4×10-2Wb.
(2)第3s内磁感应强度变化ΔB=3T,
所以ΔΦ=ΔBSsinθ=3×(0.1)2×sin30°Wb=1.5×10-2Wb.
答案:
(1)4×10-2Wb
(2)1.5×10-2Wb