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高三物理发电机原理知识点一、发电机的基本原理在现代工业和日常生活中，电能的应用无处不在。
发电机作为将机械能转换为电能的重要设备，其原理和工作方式一直是高中物理教学中的重要内容。
发电机的工作原理主要基于电磁感应现象，即当闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时，导体内就会产生电流。
这一现象由英国科学家法拉第在19世纪初发现，并由此奠定了发电机的理论基础。
二、发电机的构造与分类发电机通常由定子、转子、励磁系统和调速系统等部分组成。
定子是发电机的外部静止部分，通常包含主磁场和电枢；转子则是旋转部分，它通过机械能驱动旋转，切割磁感线产生感应电流。
根据励磁方式的不同，发电机可以分为直流发电机和他励发电机两大类。
直流发电机产生的是直流电，而他励发电机则产生的是交流电，这两者在应用上有所不同。
三、电磁感应定律电磁感应定律是发电机工作的物理基础，由法拉第电磁感应定律和楞次定律组成。
法拉第电磁感应定律表明，感应电动势的大小与磁通量变化的速率成正比。
楞次定律则说明，感应电流的方向总是这样的，即它所产生的磁场的效果要抵制引起感应电流的磁通量的变化。
这两个定律共同决定了发电机在转换能量时的效率和工作状态。
四、发电机的工作过程发电机的工作过程可以分为两个阶段：建场和切割。
在建场阶段，通过外部电源对发电机的励磁系统供电，产生磁场。
在切割阶段，转子在机械力的驱动下旋转，导线切割磁感线，根据电磁感应定律，在导线中产生感应电动势和感应电流。
通过调节发电机的转速和励磁强度，可以控制输出电压和电流的大小。
五、发电机的应用发电机的应用非常广泛，包括火力发电、水力发电、核能发电和风力发电等。
在这些发电方式中，发电机将不同的机械能（如蒸汽轮机、水轮机、风力涡轮机等）转换为电能，为社会提供了大量的能源。
此外，发电机在电动机、变压器等电气设备中也有重要应用。
六、发电机的效率与损耗发电机在转换能量的过程中，会有一部分能量以热量、机械摩擦等形式损耗。
高三物理电磁感应中切割类问题试题答案及解析1.（17分）如图所示，置于同一水平面内的两平行长直导轨相距，两导轨间接有一固定电阻和一个内阻为零、电动势的电源，两导轨间还有图示的竖直方向的匀强磁场，其磁感应强度.两轨道上置有一根金属棒MN，其质量，棒与导轨间的摩擦阻力大小为，金属棒及导轨的电阻不计，棒由静止开始在导轨上滑动直至获得稳定速度v。
求：（1）导体棒的稳定速度为多少？（2）当磁感应强度B为多大时，导体棒的稳定速度最大？最大速度为多少？（3）若不计棒与导轨间的摩擦阻力，导体棒从开始运动到速度稳定时，回路产生的热量为多少？【答案】（1）10m/s；（2）；18m/s；（3）7J.【解析】（1）对金属棒，由牛顿定律得：①②③当a=0时，速度达到稳定，由①②③得稳定速度为：（2）当棒的稳定运动速度当时，即时，V最大.得（3）对金属棒，由牛顿定律得：得即得由能量守恒得：得【考点】牛顿定律；法拉第电磁感应定律以及能量守恒定律.2.如图甲所示是某人设计的一种振动发电装置，它的结构是一个套在辐向形永久磁铁槽中的半径为r＝0.1 m、匝数n＝20的线圈，磁场的磁感线均沿半径方向均匀分布（其右视图如图乙所示）。
在线圈所在位置磁感应强度B的大小均为0.2 T，线圈的电阻为2 Ω，它的引出线接有8 Ω的小电珠L（可以认为电阻为定值）。
外力推动线圈框架的P端，使线圈沿轴线做往复运动，便有电流通过电珠。
当线圈向右的位移x随时间t变化的规律如图丙所示时（x取向右为正），求：（1）线圈运动时产生的感应电流I的大小，并在图丁中画出感应电流随时间变化的图像（在图甲中取电流由C向上流过电珠L到D为正）；（2）每一次推动线圈运动过程中作用力F的大小；（3）该发电机的输出功率P（摩擦等损耗不计）；【答案】（1）见下图；（2）0.5 N；（3）0.32 W【解析】（1）从图可以看出，线圈往返的每次运动都是匀速直线运动，其速度为线圈做切割磁感线E＝2n（rBv＝2（20（3.14（0.1（0.2（0.8 V＝2 V 感应电流电流图像如上图（2）于线圈每次运动都是匀速直线运动，所以每次运动过程中推力必须等于安培力。
物理选考中电磁感应计算题问题归类例析导体在磁场中运动切割磁感线产生电磁感应现象，是历年物理选考的一个热点问题。
因此在高三复习阶段有必要对此类问题进行归类总结，使学生更好的掌握、理解它的内涵。
通过研究各种题目，可以分类为“单杆、双杆、线圈”三类电磁感应的问题，要探讨的问题不外乎以下几种： （1）导体棒的总体动态分析：①受力分析：导体棒切割磁感线时，相当于电源，注意单杆切割和双杆切割的区别，安培力会随速度的变化而改变；仔细分析研究对象的受力情况，写出牛顿第二定律公式分析导体棒的加速度。
②运动过程分析：分析运动过程中速度和加速度的动态变化过程，电磁感应过程中物体的运动大多为加速度减小的变加速直线运动。
最后分析导体棒在稳定状态下的运动情况。
③等效电路分析：谁为等效电源，外电路的串并联、路端电压、电流如何求解等。
（2）能量转化的计算：分析运动过程中各力做功和能量转化的问题：如安培力所做的功、摩擦力做功等，结合研究对象写好动能定理。
明确在电磁感应现象中，通过克服安培力做功，把其他形式的能转化为电能，再通过电流做功，把电能转化为内能和其他形式的能。
（3）各运动量速度v 、位移x 、时间t 的计算：①位移x 的计算一般需要结合电量q ：②速度v 和时间t 的计算一般需要结合动量定理：， 上式还可以计算变力的冲量。
③以电荷量作为桥梁,可以直接把上面的物理量位移x 、速度v 、时间t 联系起来。
按照不同的情景模型，现举例分析。
一、“单杆”切割磁感线型1、杆与电阻连接组成回路：此时杆相当于电源，，安培力和速度v 成正比 例1、如图所示，MN 、PQ 是间距为L 的平行金属导轨，置于磁感强度为B 、方向垂直导轨所在平面向里的匀强磁场中，M 、P 间接有一阻值为R 的电阻．一根与导轨接触良好、质量为m,阻值为R ／2的金属导线ab 垂直导轨放置（1）若在外力作用下以速度v 向右匀速滑动，试求ab 两点间的电势差。
（2）若无外力作用，以初速度v 向右滑动，试求运动过程中产生的热量、通过ab 电量以及ab 发生的位移x 。
高三物理全电路欧姆定律试题答案及解析1.有人设计了一种可测速的跑步机，测速原理如图所示。
该机底面固定有间距为L、长度为d的平行金属电极。
电极间充满磁感应强度为B、方向垂直纸面向里的匀强磁场，且接有电压表和电阻R。
循环绝缘橡胶带上镀有n根间距为d的平行细金属条，磁场中始终仅有一根金属条，且与电极接触良好，金属条电阻为r。
若橡胶带匀速运动时，电压表读数为U，设人与跑步机间无相对滑动，求：（1）橡胶带匀速运动的速率；（2）橡胶带克服安培力做功的功率；（3）若人经过较长时间跑步距离为s（s » nd），则流过每根金属条的电量q为多少；【答案】（1）（2）（3）【解析】（1）由闭合电路欧姆定律得（2分）由法拉第电磁感应定律：（2分）解得：橡胶带匀速运动的速率为（1分）（2）（5分）（3）总电荷量为（3分）流过每根金属条的电量为（2分）【考点】考查了导体切割磁感线运动，闭合回路欧姆定律，2.分）（某照明电路出现故障，其电路如图1所示，该电路用标称值12V的蓄电池为电源，导线及其接触完好。
维修人员使用已调好的多用表直流50V挡检测故障。
他将黑表笔接在c点，用红表笔分别探测电路的a、b点。
①断开开关，红表笔接a点时多用表指示如图2所示，读数为 V，说明正常（选填：蓄电池、保险丝、开关、小灯）。
②红表笔接b点，断开开关时，表针不偏转，闭合开关后，多用表指示仍然和题6图2相同，可判定发生故障的器件是（选填：蓄电池、保险丝、开关、小灯）【答案】①11.5 （11.2～11.8）；蓄电池②小灯【解析】①多用电表直流50V的量程读中间均匀部分，共50格，每格1V，应该估读到0.1V，指针在11-12之间，读数为11.5V。
开关断开，相当于电压表并联在蓄电池两端，读出了蓄电池的电压，故蓄电池是正常的。
②两表笔接b、c之间并并闭合开关，测试得相同电压，说明a、b之间是通路，b、c之间是断路，故障器件是小灯。
【考点】本题考查了万用表读数、电路故障的判断.3. (7分)为确定某电子元件的电气特性，做如下测量。
高三物理电磁感应中切割类问题试题答案及解析1.如图所示，边长为L的正方形单匝线圈abcd，电阻r，外电路的电阻为R，a、b的中点和cd的中点的连线恰好位于匀强磁场的边界线上，磁场的磁感应强度为B，若线圈从图示位置开始，以角速度绕轴匀速转动，则以下判断正确的是=BL2A．图示位置线圈中的感应电动势最大为EmB．闭合电路中感应电动势的瞬时值表达式为C．线圈转动一周的过程中，电阻R上产生的热量为Q=D．线圈从图示位置转过180o的过程中，流过电阻R的电荷量为【答案】 C【解析】试题分析:图示位置线圈中没有任何一边切割磁感线，感应电动势为零，故A错误；当线圈与磁场平行时感应电动势最大，最大值为，瞬时值表达式为，故B错误；感应电动势的有效值为，闭合电路欧姆定律，R产生的热量为Q=I2RT，周期，联立得，故C正确；线圈从图示位置转过180°的过程中，穿过线圈磁通量的变化量大小为，流过电阻R的电荷量为，故D错误。
【考点】导体切割磁感线时的感应电动势2.如图所示，abcd是一个质量为m，边长为L的正方形金属线框。
如从图示位置自由下落，在下落h后进人磁感应强度为B的磁场，恰好做匀速直线运动，该磁场的宽度也为L。
在这个磁场的正下方3h+L处还有一个磁感应强度未知，但宽度也为L的磁场，金属线框abcd在穿过这个磁场时也恰好做匀速直线运动，那么下列说法正确的是( )A．未知磁场的磁感应强度是B/2B．未知磁场的磁感应强度是C．线框在穿过这两个磁场的过程中产生的电能为4mgLD．线框在穿过这两个磁场的过程中产生的电能为2mgL【答案】BC【解析】线框下落h时的速度为，且在第一个匀强磁场中有。
当线框下落h+2L高度，即全部从磁场中穿出时，再在重力作用下加速，且进入下一个未知磁场时，线框进人下一个未知磁场时又有：，所以,B正确；因为线框在进入与穿出磁场过程中要克服安培力做功并产生电能，即全部穿过一个磁场区域产生的电能为2mgL，故线框在穿过这两个磁场的过程中产生的电能为4mgL，C正确。
切割磁感线运动所谓切割磁感线运动，是指物体在磁场中运动，而该运动一定与磁感线成一定角度，而不与磁感线平行。
闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动，在导体中就会有电流产生，这种现象叫作电磁感应现象。
产生的电流叫作感应电流。
磁感线像用电场线描述电场一样，为了形象地描述磁场的强弱和方向，可在磁场中画出一系列曲线，使曲线上任一点的切线方向都和该点的磁场方向一致，这些曲线叫做磁感线。
用磁感线可直观地表示磁场中各点的磁场的大小和方向，磁感线密处磁场强，磁感线疏处磁场弱。
物理学上规定：小磁针静止时北极（N极）的指向，为该点的磁场的方向。
磁体之所以对周围的一些物体具有力的作用，是因为磁场的存在，我们为了形象的表示磁场分布，我们用了以下实验方法：在一块条形磁铁上放一块玻璃，玻璃上撒上铁屑，晃动玻璃后会发现，铁屑有规律的排列成连接磁铁两端的曲线，在曲线上摆放小磁针，会发现小磁针的N极指向磁铁S级，小磁针的S极指向磁铁N级，我们把这些小磁针的指向从磁铁N极到S级连接起来，得到的线就称为磁感线。
磁感线实际上是不存在的，只是我们假想出来更形象的描述磁场分布的。
磁感线是闭合的曲线，与电场线区分开来。
电磁感应现象法拉第在实验中发现，用伏打电池给一组线圈通电或断电的瞬间，另一组线圈中有电流产生。
随后法拉第又发现磁铁与闭合线圈相对运动时，线圈中也有电流产生。
经过大量实验研究，法拉第总结出产生感应电流的几种情况：变化的电流，变化的磁场，运动的磁铁，在磁场中运动的导体。
这些实验大致可归纳为两种情况：一是闭合回路保持不动但周围的磁场发生变化；二是闭合回路和磁场间发生了相对运动。
因磁通量变化产生感应电动势的现象，闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流，这种现象叫电磁感应现象。
闭合线圈面积不变，改变磁场强度，磁通量也会改变，也会发生电磁感应现象。
所以准确的定义如下：因磁通量变化产生感应电动势的现象。
电动势的方向（公式中的负号）由楞次定律提供。
板块四：电磁感应综合第一讲：导体切割磁感线的运动一、课堂精讲： 题型一、导棒切割：【例1】如图（甲）所示，一对平行光滑轨道放置在水平面上，两轨道间距l ＝0.20m ，电阻R ＝1.0Ω；有一导体杆静止地放在轨道上，与两轨道垂直，杆及轨道的电阻皆可忽略不计，整个装置处于磁感强度B ＝0.50T 的匀强磁场中，磁场方向垂直轨道面向下，现用一外力F 沿轨道方向拉杆，使之做匀加速运动，测得力F 与时间t 的关系如图（乙）所示，求杆的质量m 和加速度a ．答案：a=10m/s2，m=0．1kg【例2】如图所示，两根相距l 平行放置的光滑导电轨道，与水平面倾角均为α轨道间有电阻R ，处于磁感应强度为B 方向竖直向上的匀强磁场中，一根质量为m 、电阻为R /4的金属杆ab ，由静止开始沿导电轨道下滑．设下滑中ab 杆始终与轨道保持垂直，且接触良好，导电轨道有足够的长度，且电阻不计，求ab 杆沿轨道下滑可达到的最终速度．【解析】当ab 杆沿轨道加速下滑至速度υ时，ab 杆上的电动势为E = BL υcos αab 杆与导电轨道组成的回路中的电流为I =4cos 154E BL R R R υα=+ ab 杆受到的安培力为F = BIl = 224cos 5B l Rυα方向水平向右．当ab 杆的速度增大至某一值υm 时，ab 杆受到的合外力F 合恰减为零，此时ab 杆的加速度a 也减为零，之后ab 杆保持速度υm 沿轨道匀速下滑．速度υm 即是ab 杆沿轨道下滑可达到的最终速度．据共点合力平衡条件，有mg sin α = F cos α即mg sin α = Rl B 5cos 42m 2α·cos α，解得：υm = αα222cos 4sin 5l B mgR ．题型二、线框切割【例3】如图所示，在磁感应强度大小为B ，方向垂直纸面向里的匀强磁场中，有一个质量为m 、半径为r 、电阻为R 的均匀圆形导线圈，线圈平面跟磁场垂直（位于纸面内），线圈与磁场边缘（图中虚线）相切，切点为A ，现在A 点对线圈施加一个方向与磁场垂直，位于线圈平面内的，并跟磁场边界垂直的拉力F ，将线圈以速度υ匀速拉出磁场．以切点为坐标原点，以F 的方向为正方向建立x 轴，设拉出过程中某时刻线圈上的A 点的坐标为x．（1）写出此时F 的大小与x 的关系式；（2）在F -x 图中定性画出F -x 关系图线，写出最大值F 0的表达式．【解析】由于线圈沿F 方向作切割磁感线运动，线圈上要产生顺时针方向的感应电流，从而要受到与F 方向反向的安培力F f 作用，由图可知，此时线圈切割磁感线的有效长度l = 2r 2-(r -x )2线圈上感应电动势，感应电流i =ER线圈所受安培力大小为F f = Bil ，方向沿x 负方向 因线圈被匀速拉出，所以F = F f 解上各式得F = 8B 2υr R x -4B 2υRx 2（2）当x = r 时，拉力F 最大，最大值为F 0 =4B 2r2υR图线如图所示．【例4】如图所示，具有水平的上界面的匀强磁场，磁感强度为B ，方向水平指向纸内，一个质量为m ，总电阻为R 的闭合矩形线框abcd 在竖直平面内，其ab 边长为L ，bc 边长为h ，磁场宽度大于h ，线框从ab 边距磁场上界面H 高处自由落下，线框下落时，保持ab 边水平且线框平面竖直．已知ab 边进入磁场以后，cd 边到达上边界之前的某一时刻线框的速度已达到这一阶段的最大值，此时cd 边距上边界为h 1，求：（1）线框ab 边进入磁场时的速度大小；（2）从线框ab 边进入磁场到线框速度达到最大的过程中，线框中产生的热量；答案：（1）v=（2gh ）1/2（2）Q=mg （H+h+h 1）—m 3R 2g 2/2B 4L 4B同步练习：1．一直升飞机停在南半球某处上空．设该处地磁场的方向竖直向上，磁感应强度为B ．直升飞机螺旋桨叶片的长度为l ，螺旋桨转动的频率为f ，顺着地磁场的方向看螺旋桨，螺旋桨按顺时针方向转动．螺旋桨叶片的近轴端为a ，远轴端为b ，如图所示．如果忽略到转轴中心线的距离，用E 表示每个叶片中的感应电动势，则 （ A ）A ．E = πfl 2B ，且a 点电势低于b 点电势 B ．E = 2πfl 2B ，且a 点电势低于b 点电势C ．E = πfl 2B ，且a 点电势高于b 点电势D ．E = 2πfl 2B ，且a 点电势高于b 点电势2．如图是电磁驱动的原理图，把一个闭合线圈放在蹄形磁铁的两磁极间，蹄形磁铁和闭合线圈都可以绕OO ′轴转动．当转动蹄形磁铁时，线圈将（ B ）A ．不动 B．跟随磁铁一起转动 C ．向与磁铁相反的方向转动 D ．磁铁的磁极未知，无法判断3．如图所示，C 是一只电容器，先用外力使金属杆ab 贴着水平平行金属导轨在匀强磁场中沿垂直磁场方向运动，到有一定速度时突然撤销外力．不计摩擦，则ab 以后的运动情况可能是 （ C ）A ．减速运动到停止 B．来回往复运动 C ．匀速运动D ．加速运动4．在匀强磁场中放一电阻不计的平行金属导轨，导轨跟大线圈M 相接，如图所示，导轨上放一根导线ab ，磁感线垂直导轨所在的平面，欲使M 所包围的小闭合线圈N 产生顺时针方向的感应电流，则导线的运动可能是 （ CD ）A ．匀速向右运动B ．加速向右运动C ．减速向右运动D ．加速向左运动 5．如右图所示，光滑的水平平行放置的导轨左端连有电阻R ，导轨上架有一根裸金属棒ab ，整个装置处于垂直轨道平面的匀强磁场中，今从静止起用力拉金属棒(保持棒与导轨垂直)，若拉力恒定，经时间t 1后ab 的速度为v ，加速度为a 1，最终速度可达2v ；若拉力的功率恒定，经时间t 2后ab 的速度也为v ，加速度为a 2，最终速度也可达2v 。
求a 1和a 2满足的关系。
（不计其他电阻）答案：a 2=3a 16．水平固定的光滑U 型金属框架宽为L ，足够长，其上放一质量为m 的金属棒ab ，左端连接有一阻值为R 的电阻（金属框架、金属棒及导线的电阻均可忽略不计），整个装置处在向下的匀强磁场中，磁感应强度大小为B 。
现给棒一个初速v 0，使棒始终垂直框架并沿框架运动，如图所示。
（1）金属棒从开始运动到达稳定状态的过程中求通过电阻R 的电量和电阻R 中产生的热量 （2）金属棒从开始运动到达稳定状态的过程中求金属棒通过的位移（3）如果将U 型金属框架左端的电阻R 换为一电容为C 的电容器，其他条件不变，如图所示。
求金属棒从开始运动到达稳定状态时电容器的带电量和电容器所储存的能量（不计电路向外界辐射的能量）答案：（1）由动量定理得00Ft mv -=- 即00ILB t mv -⋅=- 所以mv q BL=由能量守恒定律得2012Q mv =（2）B S BLsE t t t φ∆∆===∆∆∆ E BLs q I t t R R =∆=∆=所以022mv RqR s BL B L == （3）当金属棒ab 做切割磁力线运动时，要产生感应电动势，这样，电容器C 将被充电，ab 棒中有充电电流存在，ab 棒受到安培力的作用而减速，当ab 棒以稳定速度v 匀速运动时，BLv =U C =/c Q C 而对导体棒ab 利用动量定理可得 —BL c Q =mv -mv 0由上述二式可求得： CL B m m v v 220+=22cCBLmv Q CBLv m B L C ==+2222000221111()2222c mv E mv mv mv m m B L C =-=-+7．两根水平平行固定的光滑金属导轨宽为L ，足够长，在其上放置两根长也为L 且与导轨垂直的金属棒ab 和cd ，它们的质量分别为2m 、m ，电阻阻值均为R （金属导轨及导线的电阻均可忽略不计），整个装置处在磁感应强度大小为B 、方向竖直向下的匀强磁场中。
（1）现把金属棒ab 锁定在导轨的左端，如图甲，对cd 施加与导轨平行的水平向右的恒力F ，使金属棒cd 向右沿导轨运动，当金属棒cd 的运动状态稳定时，金属棒cd 的运动速度是多大？（2）若对金属棒ab 解除锁定，如图乙，使金属棒cd 获得瞬时水平向右的初速度v 0，当它们的运动状态达到稳定的过程中，流过金属棒ab 的电量是多少？整个过程中ab 和cd 相对运动的位移是多大？答案：⑴当cd 棒稳定时，恒力F 和安培力大小相等，方向相反，以速度v 匀速度运动，有：F =BIL 又RBLv I 2= 联立得： 222L B FRv =⑵ab 棒在安培力作用下加速运动，而cd 在安培力作用下减速运动，当它们的速度相同，达到稳定状态时，回路中的电流消失，ab ，cd 棒开始匀速运动。
设这一过程经历的时间为t ，最终ab 、cd 的速度为v ′，通过ab 棒的电量为Q 。
则对于ab 棒由动量守恒：BILt ＝2mv ′ 即：BLQ ＝2 mv ′同理，对于cd 棒：－BILt ＝mv ′－mv 0 即： BLQ ＝m （v 0-v ′）得：BL m v Q 320=设整个过程中ab 和cd 的相对位移为S ，由法拉第电磁感应定律得： tB L S t E =∆Φ=流过ab 的电量：t R EQ 2= 得：22034L B R m v S =甲O 乙8．如图，光滑平行的水平金属导轨MN 、PQ 相距l ，在M 点和P 点间接一个阻值为R 的电阻，在两导轨间OO 1O 1′O ′矩形区域内有垂直导轨平面竖直向下、宽为d 的匀强磁场，磁感强度为B 。
一质量为m ，电阻为r 的导体棒ab ，垂直搁在导轨上，与磁场左边界相距d 0。
现用一大小为F 、水平向右的恒力拉ab 棒，使它由静止开始运动，棒ab 在离开磁场前已经做匀速直线运动（棒ab 与导轨始终保持良好的接触，导轨电阻不计）。
求：（1）棒ab 在离开磁场右边界时的速度； （2）棒ab耗的电能；（3）试分析讨论ab 答案：（1）ab 速度为m v ，则有 m E Blv = EI R r=+ 对ab 棒 F －BIl ＝0 解得 22()m F R r v B l +=（2）由能量守恒可得： 201()2m F d d W mv +=+电解得： 22044()()2mF R r W F d d B l +=+-电（3）设棒刚进入磁场时速度为v由 2012F d mv ⋅= 可得 v =棒在进入磁场前做匀加速直线运动，在磁场中运动可分三种情况讨论：22()F R r B l +（或44022()d B l F m R r =+），则棒做匀速直线运动； 22()F R r B l +（或F ＞44022()d B l m R r +），则棒先加速后匀速； 22()F R r B l +>（或F ＜44022()d B l m R r +＝，则棒先减速后匀速。
