粤教版(2019)选择性必修二 2.3 电磁感应定律的应用
一、单选题
1.如图所示为电磁炮的简化原理示意图,它由两条水平放置的平行光滑长直轨道组成。轨道间放置一个导体滑块作为弹头。当电流从一条轨道流入,经弹头从另一条轨道流回时,在两轨道间产生磁场,弹头就在安培力推动下以很大的速度射出去。不计空气阻力,将该过程中安培力近似处理为恒力,为了使弹头获得更大的速度,可适当( )
A.减小平行轨道间距 B.增大轨道中的电流
C.缩短轨道的长度 D.增大弹头的质量
2.如图所示,有a、b两个闭合单匝正方形线圈,用材料和粗细均相同的导线制成,线圈边长,图示区域内有垂直纸面向里的匀强磁场,且磁感应强度随时间均匀变化,不考虑线圈之间的相互影响,则a、b线圈中感应电流大小之比为( )
A.1:2 B.1:1 C.2:1 D.4:1
3.将一段铜制裸导线弯折成如图甲所示形状的线框,将它置于一节干电池的正极上(线框上端的弯折位置与正极良好接触),一块圆柱形强磁铁N极向上吸附于电池的负极,使导线框下面的两端P、Q套在磁铁上并与磁铁表面保持良好接触,放手后线框就会发生转动,从而制成了一个“简易电动机”,如图乙所示。关于该电动机,下列说法正确的是( )
A.俯视,线框将逆时针转动
B.若将裸导线改成漆包线,对漆包线不做任何处理也能成功转动
C.若线圈电阻不受发热影响,则线圈从静止开始转动的过程中,线框中电流保持不变
D.电池的输出功率一定大于线圈转动时的机械功率
4.如图所示,在磁感应强度为B、方向竖直向下的匀强磁场中,有一水平放置的U形导轨,导轨左端连接一阻值为R的电阻,导轨电阻不计。导轨间距离为L,在导轨上垂直放置一根长度为L的金属棒,金属棒与导轨接触良好,电阻为r,用平行导轨的水平外力F拉着金属棒向右做匀速运动,则在金属棒运动过程中,下列说法正确的是( )
A.电阻R消耗的电功率为
B.金属棒的运动速度大小
C.金属棒两端的电压为
D.整个回路的发热功率为
5.如图所示,在边长为a的正方形区域内有匀强磁场,磁感应强度为B,其方向垂直纸面向外,一个边长也为a的正方形导线框架EFGH正好与上述磁场区域的边界重合,现使导线框以周期T绕其中心O点在纸面内匀速转动,经过导线框转到图中虚线位置,已知导线框的总电阻为R,则在这时间内( )
A.因不知是顺时针转动还是逆时针转动,所以不能判断导线框中的感应电流方向
B.导线框中感应电流方向为E→F→G→H→E
C.通过导线框中任一截面的电量为
D.平均感应电动势大小等于
6.如图是汽车上使用的电磁制动装置示意图。电磁制动是一种非接触的制动方式,其原理是当导体在通电线圈产生的磁场中运动时,会产生涡流,使导体受到阻碍运动的制动力。下列说法正确的是( )
A.制动过程中,导体不会产生热量
B.如果导体反向转动,此装置将不起制动作用
C.制动力的大小与线圈中电流的大小无关
D.线圈电流一定时,导体运动的速度越大,制动力就越大
7.如图所示,水平面上静止放置一个单匝正方形线框,边长为0.2m,总电阻为4。线框有一半处于垂直于纸面向里的匀强磁场中,磁感应强度大小与时间关系为:B=(3+2t)T,若线框在t=0到t=5s一直处于静止状态,则在t=2.5s时刻,求线框所受摩擦力大小和方向( )
A.0.016N、右 B.0.032N、右 C.0.016N、左 D.0.032N、左
8.如图甲所示,阻值为R=8的电阻与阻值为r=2的单匝圆形金属线圈连接成闭合回路。金属线圈的面积S=1.0m2,在线圈中存在垂直于线圈平面向里的匀强磁场,磁感应强度B随时间t变化的关系图线如图乙所示,导线的电阻不计,则前2s时间内( )
A.流过电阻R的电流方向为从E到F
B.流过电阻R的电流大小为0.4A
C.电阻R上产生的热量为0.064J
D.通过电阻R的电荷量为0.4C
9.如图所示,水平地面上方矩形区域内存在垂直纸面向里的匀强磁场,两个质量相等边长不等的单匝闭合正方形线圈Ⅰ和Ⅱ,分别用相同材料,不同粗细的导线绕制(Ⅰ为细导线)。两线圈在距磁场上界面高处由静止开始自由下落,再进入磁场,最后落到地面。运动过程中,线圈平面始终保持在竖直平面内且下边缘平行于磁场上边界。设线圈Ⅰ、Ⅱ落地时的速度大小分别为、,在磁场中运动时产生的热量分别为、。不计空气阻力,则( )
A.v1>v2,Q1<Q2 B.v1=v2,Q1=Q2
C.v1<v2,Q1>Q2 D.不能确定
10.由相同材料的导线绕成边长相同的甲、乙两个正方形闭合线圈,两线圈的质量相等,但所用导线的横截面积不同,甲线圈的匝数是乙的2倍。现两线圈在竖直平面内从同一高度同时由静止开始下落,一段时间后进入一方向垂直于纸面的匀强磁场区域,磁场的上边界水平,如图所示。不计空气阻力,已知下落过程中线圈始终平行于纸面,上、下边保持水平。在线圈下边进入磁场后且上边进入磁场前,不可能出现的是( )
A.甲和乙都加速运动
B.甲和乙都减速运动
C.甲和乙都匀速运动
D.甲减速运动,乙加速运动
11.如图所示,平行导轨间的距离为d,一端跨接一个电阻R,匀强磁场的磁感应强度为B,方向垂直于平行金属导轨所在的平面。一根足够长的金属棒与导轨成60°角放置。金属棒电阻为R,导轨的电阻不计,当金属棒以v沿垂直于棒的方向滑行时,则下列说法正确的是( )
A.电阻R两端电压大小
B.金属杆中感应电流大小
C.金属杆受到的安培力大小
D.电阻R的电功率
12.在如图甲所示的电路中,两个电阻的阻值均为2R,电容器的电容为C,单匝圆形金属线圈的半径为r1,线圈的电阻为R,其内部半径为r2的圆形区域内存在垂直于线圈平面向里的匀强磁场,磁感应强度B随时间t变化的关系图线如图乙所示,图线与横、纵轴的交点坐标分别为(t0,0)和(0,B0),其余导线的电阻不计,在0~t0时间内,下列说法正确的是( )
A.电容器上极板带正电
B.通过线圈的电流为
C.电容器两端电压为
D.电容器所带的电荷量为
13.两个完全相同的正方形匀质金属框,边长为L,通过长为L的绝缘轻质杆相连,构成如图所示的组合体。距离组合体下底边H处有一方向水平、垂直纸面向里的匀强磁场。磁场区域上下边界水平,高度为L,左右宽度足够大。把该组合体在垂直磁场的平面内以初速度v0水平无旋转抛出,设置合适的磁感应强度大小B使其匀速通过磁场,不计空气阻力。下列说法正确的是( )
A.B与v0无关,与成反比
B.通过磁场的过程中,金属框中电流的大小和方向保持不变
C.通过磁场的过程中,组合体克服安培力做功的功率小于重力做功的功率
D.调节H、v0和B,只要组合体仍能匀速通过磁场,则其通过磁场的过程中产生的热量不变
14.如图所示,金属导轨OM、ON焊接在O点处的金属块(大小不计,图中黑色所示)上,虚线OP是的角平分线,整个空间分布着垂直导轨平面的匀强磁场。时刻,金属棒由O点沿OP方向做匀速直线运动,棒始终与导轨接触良好且与OP垂直,除金属块外其他电阻不计,则在开始计时的连续相等时间内,通过棒中点横截面的感应电荷量之比为( )
A.1:4 B.1:3 C.1:2 D.1:1
15.如图所示,两根平行金属导轨置于同一水平面内,导轨之间接有电阻R。金属棒ab与两导轨垂直并接触良好,整个装置放在竖直向下的匀强磁场中。磁感应强度随时间变化如乙图所示,整个装置始终保持静止,下列说法正确的是( )
A.0~0.5 s内金属棒ab中的感应电流方向由b到a
B.0.5~1.0 s内金属棒ab中的感应电流方向由b到a
C.0.5~1.0 s内金属棒ab所受的安培力保持不变
D.0.5~1.0s内金属棒ab所受的摩擦力保持不变
二、填空题
16.如图(a)所示,面积为0.01m2、电阻为0.1Ω的单匝正方形导线框放在匀强磁场中,磁场方向与线框平面垂直.磁感应强度B随时间t的变化图线如图(b)所示.时刻,磁感应强度的方向垂直于纸面向里,在1s末线框中感应电流的大小为______A.若规定水平向左为正方向,请在图(c)中定性画出前4s内ab边所受的安培力F随时间t的变化图线________.
17.如图所示,竖直平面内有一金属环,半径为a,总电阻为R.磁感应强度为B的匀强磁场垂直穿过环平面,在环的最高点A用铰链连接长度为2a、电阻为R的导体棒AB.AB由水平位置紧贴环面摆下,当摆到竖直位置时,B点的线速度为v,则此时杆AB产生的电动势大小为_________,杆AB两端的电压大小为_________ .
18.如图所示,水平面中的平行导轨P、Q相距L,它们的右端与电容为C的电容器的两极板分别相连,直导线ab放在P、Q上与导轨垂直相交并且沿导轨滑动,磁感应强度为B的匀强磁场竖直向下穿过导轨面,闭合开关S,若发现与导轨P相连的电容器极板上带负电荷,则ab向______沿导轨滑动(填“左”、“右”);如电容器的带电荷量为q,则ab滑动的速度v=______。
19.用均匀导线做成的正方形线框边长为0.2 m,正方形的一半放在垂直于纸面向里的匀强磁场中,如图所示.当磁场以10 T/s的变化率增强时,线框中a、b两点间的电势差是Uab=_____ V
三、解答题
20.如图所示,固定在水平面内的U形金属框架宽度为,左端接有阻值的电阻,垂直轨道放置的金属杆阻值、质量。整个轨道处于竖直向下的匀强磁场中,磁感应强度为。金属杆以初速度开始向右运动。不计轨道摩擦和轨道电阻。求:
(1)金属杆速度变为时,杆的加速度大小;
(2)金属杆从开始运动到静止,通过电阻R的电荷量及金属杆通过的位移大小。
21.如图甲所示,一边长为L = 2.5m、质量为m = 0.5kg,电阻为4Ω的正方形金属线框,放在光滑绝缘的水平面上,整个装置放在方向竖直向上、磁感应强度为B = 0.8T的有界匀强磁场中,它的一边与磁场的边界MN重合。在水平向左的力F作用下由静止开始向左运动,经过5s线框被拉出磁场。测得金属线框中的电流随时间变化的图像如图乙所示,在金属线框被拉出的过程中:
(1)求通过线框导线截面的电量;
(2)写出水平力F随时间变化的表达式;
(3)已知在这5s内力F做功为1.92J,那么在此过程中,线框产生的焦耳热是多少?
22.在倾角为θ的光滑斜面上,存在着两个磁感应强度大小相同的匀强磁场,其方向一个垂直于斜面向上,一个垂直于斜面向下(如图所示),它们的宽度均为L。一个质量为m、边长也为L的正方形线框以速度v进入上部磁场时,恰好做匀速运动.
(1)当ab边刚越过边界ff′时,线框的加速度为多大,方向如何?
(2)当ab边到达gg′与ff′的正中间位置时,线框又恰好做匀速运动,则线框从开始进入上部磁场到ab边到达gg′与ff′的正中间位置的过程中,线框中产生的焦耳热为多少?(线框的ab边在运动过程中始终与磁场边界平行,不计摩擦阻力)
23.如图甲所示,一个圆形线圈的匝数n=100,线圈面积S=200cm2,线圈的电阻r=1Ω,线圈外接一个阻值R=9Ω的电阻,把线圈放入一方向垂直线圈平面向里的匀强磁场中,磁感应强度随时间变化规律如图乙所示。求:
(1)线圈中的感应电流的大小和方向;
(2)电阻R两端电压;
(3)前4s内通过R的电荷量。
24.如图所示,水平面内的金属导轨MN和PQ平行,间距L=1.0m,匀强磁场磁感应强度B=2.0T,方向垂直于导轨平面向下,MP间接有阻值R=1.5Ω的电阻,质量m=0.5kg、电阻r=0.5Ω的金属杆ab垂直导轨放置,金属杆与导轨间的动摩擦因数为μ=0.2。现用恒力F沿导轨平面水平向右拉金属杆,使其由静止开始运动,当金属杆向右的位移s=4.125m时达到最大速度v=1m/s。取g=10m/s2,导轨足够长且电阻不计。求:
(1)恒力F的大小;
(2)从金属杆开始运动到刚达到稳定状态,电阻R产生的焦耳热。
试卷第1页,共3页
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参考答案:
1.B
【解析】
【详解】
A.根据题意,安培力做的功等于弹头获得的动能,轨道间距减小,安培力减小,安培力做功减小,弹头获得动能减小,速度减小,故A错误;
B.增大轨道中电流,安培力增大,安培力做功增大,弹头获得动能增大,速度增大,故B正确;
C.缩短轨道长度,安培力做功减小,弹头获得动能减小,速度减小,故C错误;
D.只增大弹头质量,安培力做功不变,弹头获得动能不变,所以速度减小,故D错误。
故选B。
2.C
【解析】
【详解】
依题意,设正方形线圈横截面积为,根据法拉第电磁感应定律可得线圈中产生感应电动势大小为
又因为
联立可得线圈中产生感应电流大小为
所以可得两线圈中产生感应电流大小之比为
故选C。
3.D
【解析】
【详解】
A.题图乙所示位置,根据左手定则,线框左半部分所受安培力的合力方向向里,右半部分所受安培力的合力方向向外,从上向下看,线框沿顺时针方向转动,故A错误;
B.漆包线外面是绝缘层,则与电池连接后导线内没有电流,导线框不能转动,故B错误;
C.线框从静止开始旋转达到稳定的过程中,导线框切割磁感线会产生反电动势,电流会减小,故C错误;
D.电池的输出功率一部分转化为线圈转动的机械功率,一部分用于电阻产生热量,故D正确。
故选D。
4.A
【解析】
【详解】
B.由右手定则判断得知金属棒MN中的电流方向为由N到M,MN产生的感应电动势为
E=BLv
回路中的感应电流大小为
匀速运动时,有
可得金属棒的运动速度大小为
故B错误;
C.电阻R两端的电压为
故C错误;
A.电阻R消耗的电功率为
故A正确;
D.整个回路的发热功率为
故D错误;
故选A。
5.D
【解析】
【详解】
AB.由于虚线位置是经过到达的,不论线框是顺时针还是逆时针方向转动,所以线框的磁通量是变小的。根据楞次定律,感应电流产生的磁场跟原磁场方向相同,即感应电流产生的磁场方向为垂直纸面向外,根据右手螺旋定则,我们可以判断出感应电流的方向为E→H→G→F→E,AB错误;
CD.如图所示
有
,,
根据几何关系可求出有磁场穿过的面积变化为
根据法拉第电磁感应定律得平均感应电动势为
联立解得
通过导线框横截面的电荷量为
C错误,D正确。
故选D。
6.D
【解析】
【详解】
A.电磁制动的原理是当导体在通电线圈产生的磁场中运动时,会产生涡流,电流流过电阻时会产生热量,A 错误;
B.如果改变线圈中的电流方向,铁芯产生的磁感线的方向变为反向,此时产生的涡流方向也相反,根据安培力的公式,电流和所处的磁场方向同时反向,安培力方向不变,故还是使导体受到阻碍运动的制动力,B 错误;
C. 线圈中电流越大,则产生的磁场越强,则转盘转动产生的涡流越强,则制动器对转盘的制动力越大,C 错误;
D. 线圈电流一定时,导体运动的速度越大,转盘转动产生的涡流越强,制动力就越大,D 正确。
故选 D 。
7.A
【解析】
【详解】
由法拉第电磁感应定律得回路电动势大小为
感应电流大小为
时刻的磁感应强度大小为
安培力大小为
线框静止,所以摩擦力大小为0.016N。由楞次定律,线框安培力向左,所以摩擦力向右。
故选A。
8.D
【解析】
【详解】
A.根据楞次定律可知流过电阻R的电流方向从F到E,A错误;
B.根据法拉第电磁感应定律,感应电动势的大小
因此流过电阻R的电流大小
B错误;
C.根据焦耳定律
C错误;
D.通过电阻R的电荷量
D正确。
故选D。
9.C
【解析】
【详解】
两线圈从同一高度下落,到达磁场边界时具有相同的速度,设为v,设线圈的边长为L,横截面积为S,电阻率为ρ,质量为m。
线圈切割磁感线产生感应电流时,受到磁场的安培力大小为
由电阻定律有
当线圈的下边刚进入磁场时其加速度为
根据
知m和ρ密相等,则LS相等,所以可得加速度 a相等
所以线圈Ⅰ和Ⅱ进入磁场的过程先同步运动,由于两线圈质量质量,Ⅰ为细导线,Ⅰ的边长长,当Ⅱ线圈刚好全部进入磁场中时,Ⅰ线圈由于边长较长还没有全部进入磁场。Ⅱ线圈完全进入磁场后做加速度为g的匀加速运动,而Ⅰ线圈仍在做加速度小于g的变加速运动,再做加速度为g的匀加速运动,所以落地速度
由能量守恒可得
H是磁场区域的高度,因为v1<v2,其他相等,所以
故C正确,ABD错误。
故选C。
10.D
【解析】
【详解】
设线圈下边到磁场上边界的高度为h,线圈的边长为l,则线圈下边刚进入磁场时,有
感应电动势为
E=nBlv
两线圈材料相同(设密度为ρ0),质量相同(设为m),则
m=ρ0×4nl×S
设材料的电阻率为ρ,则线圈电阻
感应电流为
所受安培力为
F=nBIl=
由牛顿第二定律有
mg-F=ma
联立解得
加速度与线圈的匝数、横截面积无关,则甲和乙进入磁场时,具有相同的加速度。
当时,甲和乙都加速运动,当时,甲和乙都减速运动,当时,甲和乙都匀速运动,故不可能出现的运动选D。
11.D
【解析】
【详解】
B.ab产生的感应电动势为
此时感应电流为
B错误;
A.R两端的电压
A错误;
金属杆受到的安培力
C选项错误;
D.电阻R的功率
D正确;
故选D。
12.D
【解析】
【详解】
A.由题意可知,当向里的磁感应强度均匀减小时,根据楞次定律知感应电流的磁场向里,再由安培定则可知,圆环中的电流从下端流出,下端相当于电源正极,故电容器的下极板带正电,故A错误;
B.由图象分析可知,0至时间内磁感应强度的变化率为
由法拉第电磁感应定律有
而
闭合电路欧姆定律有
联立可得
故B错误;
C.电容器C与电阻2R并联,所以它们两端电压相等
故C错误;
D.电容器所带的电荷量为
故D正确。
故选D。
13.D
【解析】
【详解】
A.将组合体以初速度v0水平无旋转抛出后,组合体做平抛运动,后进入磁场做匀速运动,由于水平方向切割磁感线产生的感应电动势相互抵消,则有
解得
则B与v0无关,与成反比,A错误;
B.当金属框刚进入磁场时金属框的磁通量增加,此时感应电流的方向为逆时针方向,当金属框刚出磁场时金属框的磁通量减少,此时感应电流的方向为顺时针方向,B错误;
C.组合体通过磁场的过程中
则组合体克服安培力做功的功率等于重力做功的功率,C错误;
D.无论调节哪个物理量,只要组合体仍能匀速通过磁场,都有
则安培力做的功都为
W=F安4L
则组合体通过磁场的过程中产生的热量不变,D正确。
故选D。
则组合体克服安培力做功的功率等于重力做功的功率,C错误;
无论调节哪个物理量,只要组合体仍能匀速通过磁场,都有mg=F安,
则安培力做的功都为W=F安4L,
则组合体通过磁场的过程中产生的热量不变,D正确。
故选D.
14.B
【解析】
【详解】
金属导轨上产生感应电动势
感应电流
感应电荷量
设开始计时后,第一个时间t内金属棒走过了,
金属棒匀速直线运动, 第二个时间t内金属棒走过了
感应电荷量之比
故选B。
15.B
【解析】
【详解】
A.0~0.5 s内,B不变,则穿过闭合回路的磁通量不变,则在金属棒ab中无感应电流产生,选项A错误;
B.0.5~1.0 s内,B增加,则穿过闭合回路的磁通量变大,根据楞次定律可知,金属棒ab中的感应电流方向由b到a,选项B正确;
CD.0.5~1.0 s内,根据
可知,闭合回路中的感应电动势不变,感应电流不变,根据
F=BIL
因B增大,可知金属棒ab所受的安培力变大,因金属棒保持静止,可知金属棒ab所受的摩擦力增大,选项CD错误;
故选B。
16. 0.2
【解析】
【详解】
[1]由图(b)可知,在0~4s内不变,因此产生的感应电动势大小不变,根据法拉第电磁感应定律得
[2]线框中产生感应电流,ab边受到安培力的作用,但由于磁感应强度是变化的,所以ab边受到的安培力是变化的。若规定水平向左为正方向,根据,安培力与B成正比,0~1s内安培力正向减小,1~2s内安培力反向增大,2~3s内安培力正向减小,3~4s内安培力反向增大,如图
17.
【解析】
【详解】
当摆到竖直位置时,导体棒产生的感应电动势为:;金属环并联的电阻为:;AB两端的电压是路端电压,AB两端的电压大小为:.
18. 左
【解析】
【详解】
[1]根据右手定则可知,当直导线ab向左运动时,a端相当于电源的负极,即电容器极板上带负电荷;
[2]根据电容器的电容公式Q=CU,可得
而棒切割磁感线产生感应电动势大小为E=BLv,此时U=E,所以ab滑动的速度为
19.-0.1
【解析】
【详解】
题中正方形线框的左半部分磁通量变化而产生感应电动势,从而在线框中有感应电流产生,把左半部分线框看成电源,其电动势为E,内电阻为r/2,画出等效电路如图所示.
则a、b两点间的电势差即为电源的路端电压,设l是边长,且依题意知.由得;所以,由于a点电势低于b点电势,故Uab=-0.1 V.
20.(1);(2)1.25C,3.125m
【解析】
【详解】
(1)金属杆ab速度变为v=2.0m/s时,电动势为
E=BLv=0.8V
电路中的电流
金属杆受到的安培力为
F=BIL=0.32N
根据牛顿第二定律,可得杆的加速度为
(2)金属杆ab从开始运动到静止,根据动量定理可得
其中
联立解得
q=1.25C,x=3.125m
21.(1)1.25C;(2);(3)1.67J
【解析】
【分析】
【详解】
(1)由I—t图像知图线与时间轴所围面积表示电量,可得
C = 1.25C
(2)因为
则有
由图像的斜率可得
,a = 0.2m/s2
又因为
F - FA = ma
则有
代入数据有
(3)根据
m/s = 1m/s
根据能量守恒定律
WF–Q = mv2
代入数据有
Q = 1.67J
22.(1)3gsinθ,方向沿斜面向上;(2)mgLsinθ+mv2
【解析】
【详解】
(1)当线框的ab边刚进入上部磁场时,根据闭合电路欧姆定律可得线框中的电流为
线框恰好做匀速运动,根据平衡条件有
mgsin θ=BI1L
线框进入上部磁场过程中始终做匀速运动,当线框的ab边刚好越过边界ff′时,ab和cd切割磁感线所产生的感应电动势同向叠加,则回路中电流的大小为2I1,根据牛顿第二定律可得此时线框的加速度大小为
方向沿斜面向上。
(2)当线框的ab边到达gg′与ff′的正中间位置时,设线框中的电流为I2,由题意可得
mgsin θ=2BI2L
设此时线框的速度大小为v′,则
解得
根据能量守恒定律,可得线框从开始进入上部磁场到ab边到达gg′与ff′的正中间位置的过程中,线框中产生的焦耳热为
23.(1)0.01A,线圈中的感应电流的方向为逆时针;(2)0.09V;(3)0.04C
【解析】
【详解】
(1) 由图像可知
根据
由闭合电路欧姆定律得
根据楞次定律可得线圈中的感应电流的方向为逆时针;
(2)根据欧姆定律
(3)前4s内通过R的电荷量
24.(1);(2) 6J
【解析】
【详解】
(1)当金属杆匀速运动时,由平衡条件得
其中
解得
(2)从金属杆开始运动到刚达到稳定时,由能量关系可得
电阻R产生的焦耳热
解得
答案第1页,共2页
答案第1页,共2页