广西专版2023_2024学年新教材高中物理第2章电磁感应3涡流电磁阻尼和电磁驱动课后训练新人教版选择性必修第二册

3　涡流、电磁阻尼和电磁驱动

课后·训练提升

基础巩固

一、选择题(第1~4题为单选题,第5~6题为多选题)

1.金属探测器已经广泛应用于安检场所,下列关于金属探测器的说法正确的是(　　)

A.金属探测器可用于食品生产,防止细小的砂石颗粒混入食品中

B.金属探测器探测地雷时,探测器的线圈中产生涡流

C.金属探测器探测金属时,被测金属中感应出涡流

D.探测过程中金属探测器必须与被测物体相对运动

答案C

解析金属探测器只能探测金属,不能探测细小的砂石颗粒,选项A错误。金属探测器探测金属时,被测金属中感应出涡流,选项B错误,C正确。探测过程中金属探测器本身会产生变化的磁场,不用必须与被测物体相对运动,故选项D错误。

2.如图所示,在蹄形磁铁的两极间有一可以自由转动的铜盘(不计各种摩擦),现让铜盘转动。下面对观察到的现象描述及解释正确的是(　　)

A.铜盘中没有感应电动势、没有感应电流,铜盘将一直转动下去

B.铜盘中有感应电动势、没有感应电流,铜盘将一直转动下去

C.铜盘中既有感应电动势又有感应电流,铜盘将很快停下

D.铜盘中既有感应电动势又有感应电流,铜盘将越转越快

答案C

解析铜盘转动时,根据法拉第电磁感应定律及楞次定律知,盘中有感应电动势,也产生感应电流,并且受到阻尼作用,机械能很快转化为电能进而转化为焦耳热,铜盘将很快停下,故选项C正确,A、B、D错误。

3.高频感应炉是用来熔化金属对其进行冶炼的,右图为冶炼金属的高频感应炉的示意图,炉内放入被冶炼的金属,线圈通入高频交变电流,这时被冶炼的金属就能被熔化,这种冶炼方法速度快,温度易控制,并能避免有害杂质混入被冶炼金属中,因此适于冶炼特种金属。该炉的加热原理是(　　)

A.利用线圈中电流产生的焦耳热

B.利用线圈中电流产生的磁场

C.利用交变电流的交变磁场在炉内金属中产生的涡流

D.给线圈通电的同时,给炉内金属也通了电

答案C

解析高频感应炉的原理:给线圈通以高频交变电流后,线圈产生高频变化的磁场,磁场穿过金属,在金属内产生涡流,由于电流的热效应,可使金属熔化。故选项C正确,A、B、D错误。

4.如图所示,一个半圆形铝框处在水平向外的非匀强磁场中,场中各点的磁感应强度为By=,y为该点到地面的距离,c为常数,B0为一定值。铝框平面与磁场垂直,直径ab水平,(空气阻力不计)铝框由静止释放下落的过程中(　　)

A.直径ab受安培力方向与框的运动方向相同,为动力

B.半圆弧ab受安培力方向与框的运动方向相反,为阻力

C.铝框下落的加速度大小一定小于重力加速度g

D.铝框下落加速度大小可能等于g

答案C

解析铝框由静止释放下落的过程中,由楞次定律得铝框有顺时针方向的电流,由左手定则得直径ab受安培力方向为竖直向上,与框的运动方向相反,为阻力,选项A错误。在半圆弧ab上等高且左右对称的位置分别取一段电流元,由对称性和力的平行四边形定则得,这两段电流元所受安培力的合力竖直向下,所以半圆弧ab受的安培力竖直向下,与框的运动方向相同,为动力,选项B错误。由于离地面距离大,所处位置磁感应强度小,半圆弧ab受的安培力没有直径ab受的安培力大,所以整个铝框所受合力竖直向上,即铝框下落的加速度大小一定小于重力加速度g,选项C正确,D错误。

5.关于感生电动势和动生电动势的比较,下列说法正确的是 (　　)

A.感生电动势是由于变化的磁场产生了感生电场,感生电场对导体内的自由电荷产生作用而使导体两端出现的电动势

B.动生电动势是由于导体内的自由电荷随导体棒一起运动而受到洛伦兹力的作用产生定向移动,使导体棒两端出现的电动势

C.在动生电动势产生的过程中,洛伦兹力对自由电荷做功

D.感生电动势和动生电动势产生的实质都是由于磁通量的变化引起的

答案ABD

解析由感生电动势和动生电动势的产生原理可知,选项A、B正确。在动生电动势产生的过程中,某一方向上的洛伦兹力对自由电荷做正功,另一方向上的洛伦兹力对自由电荷做负功,整体上,洛伦兹力不做功,选项C错误。感生电动势和动生电动势实质上都是电磁感应现象中产生的电动势,都是由于磁通量的变化引起的,选项D正确。

6.安检门是一个用于安全检查的“门”,“门框”内有线圈,线圈里通有交变电流,交变电流在“门”内产生交变磁场,金属物品通过“门”时能产生涡流,涡流的磁场又反过来影响线圈中的电流,从而引起报警。以下关于这个安检门的说法正确的是(　　)

A.这个安检门也能检查出毒品

B.这个安检门只能检查出金属物品

C.如果这个“门框”的线圈中通上恒定电流,也能检查出金属物品

D.这个安检门工作时,既利用了电磁感应现象,又利用了电流的磁效应

答案BD

解析这个安检门是利用涡流工作的,因而只能检查出金属物品,选项A错误,B正确。若“门框”的线圈中通上恒定电流,只能产生恒定磁场,它不能使块状金属产生涡流,因而不能检查出金属物品,选项C错误。安检门工作时,既利用了电磁感应现象,又利用了电流的磁效应,选项D正确。

二、非选择题

7.如图所示,一狭长的铜片能绕O点在纸平面内摆动,有界的磁场其方向垂直纸面向里,铜片在摆动时受到较强的阻尼作用,很快就停止摆动。如果在铜片上开几个长缝,铜片可以在磁场中摆动较多的次数后才停止摆动,这是为什么?

答案没有开长缝的铜片在磁场中摆动时,铜片内将产生较大的涡流,涡流在磁场中所受的安培力总是阻碍铜片的摆动,因此铜片很快就停止摆动。如果在铜片上开有多条长缝,就可以把涡流限制在缝与缝之间的各部分铜片上,较大地削弱了涡流,阻力随之减小,所以铜片可以摆动多次后才停止摆动。

能力提升

一、选择题(第1~3题为单选题,第4~6题为多选题)

1.高考使用的金属探测器,是在全国高考考生入场前统一使用的合法预防考生作弊的辅助检测设施。其结构原理图可简化为下图。探测器运用的是电磁感应的原理,发射线圈(外环)产生垂直于线圈平面大小和方向交替变化的磁场,内环线圈是接收线圈,用来收集被查金属目标发出的磁场(接收线圈能完全屏蔽发射线圈产生的磁场)。随着磁场方向的反复变化,它会与任何金属物发生作用,导致金属物自身也会产生微弱的磁场,来自金属物的磁场进入内环线圈被接收到后,检测器会发出报警声。现已知某一时刻发射线圈发射一向下的磁场,则下列说法正确的是              (　　)

A.如果发射线圈发射的向下的磁场增强,则金属物中产生的涡流从俯视看沿顺时针方向

B.如果发射线圈发射的向下的磁场增强,则金属物中涡流产生的磁场也增强

C.金属物发出的磁场穿过接收线圈时,接收线圈中会产生一个微弱的电流,探测器相应的元件就是依据这一信号电流做出报警的

D.金属物发出的磁场穿过接收线圈时,如果接收线圈中产生的微弱电流从俯视看沿逆时针方向,则金属物发出的穿过接收线圈的磁场方向向上

答案C

解析当发射线圈发射的向下磁场增强,根据楞次定律,则感应磁场向上,依据右手螺旋定则,感应电流方向从俯视看沿逆时针方向,故选项A错误。如果发射线圈发射的向下磁场增强,则金属物中产生涡流,但不能确定涡流的磁场强弱,故选项B错误。当接收线圈中产生一个微弱的电流,探测器相应的元件就是依据这一信号电流发出报警声,故选项C正确。如果接收线圈中产生的微弱电流从俯视看沿逆时针方向,则金属物发出的穿过接收线圈的磁场可能方向向上、大小减弱,也可能方向向下、大小增强,故选项D错误。

2.下图为高频电磁炉的工作示意图,它是采用电磁感应原理产生涡流加热的,它利用变化的电流通过线圈产生变化的磁场,当变化的磁场通过含铁质锅的底部时,即会产生无数小涡流,使锅体本身自行高速升温,然后再加热锅内食物。电磁炉工作时产生的电磁波,完全被线圈底部的屏蔽层和顶板上的含铁质锅所吸收,不会泄漏,对人体健康无危害。关于电磁炉,以下说法正确的是(　　)

A.电磁炉是利用变化的磁场在食物中产生涡流对食物加热的

B.电磁炉是利用变化的磁场产生涡流,使含铁质锅底迅速升温,进而对锅内食物加热的

C.电磁炉是利用变化的磁场使食物中的极性水分子振动和旋转来对食物加热的

D.电磁炉跟电炉一样是让电流通过电阻丝产生热量来对食物加热的

答案B

解析电磁炉的工作原理是利用变化的电流通过线圈产生变化的磁场,变化的磁场通过含铁质锅的底部产生无数小涡流,使锅体温度升高后加热食物,选项A、D错误,B正确。使食物中的极性水分子振动和旋转来对食物加热是微波炉的加热原理,选项C错误。

3.随着科技的不断发展,无线充电已经进入人们的视线。下图给出了某品牌的无线充电手机利用电磁感应方式无线充电的原理图。关于无线充电,下列说法正确的是(　　)

A.无线充电时手机接收线圈部分的工作原理是“电流的磁效应”

B.只有将充电底座接到直流电源上才能对手机进行充电

C.接收线圈中交变电流的频率与发射线圈中交变电流的频率相同

D.只要有无线充电底座,所有手机都可以进行无线充电

答案C

解析无线充电时手机接收线圈部分的工作原理是电磁感应现象,选项A错误。充电底座接直流电源时,无线充电设备不会产生交变磁场,不能够正常使用,选项B错误。电磁感应现象不会改变电流的频率,接收线圈中交变电流的频率与发射线圈中交变电流的频率相同,选项C正确。被充电手机内部,应该有一类似金属线圈的部件,与手机电池相连,当有交变磁场时,则出现感应电动势,因此普通手机不能够利用无线充电设备进行充电,选项D错误。

4.如图所示,在线圈上端放置一盛有冷水的金属杯,现接通交流电源,过了几分钟,杯内的水沸腾起来。若要缩短上述加热时间,下列措施可行的有(　　)

A.增加线圈的匝数

B.提高交流电源的频率

C.将金属杯换为瓷杯

D.取走线圈中的铁芯

答案AB

解析根据法拉第电磁感应定律E=n知,增加线圈的匝数n,提高交流电源的频率即缩短交流电源的周期(相当于减小Δt),这两种方法都能使感应电动势增大,故选项A、B正确。将金属杯换为瓷杯,则没有闭合电路,也就没有感应电流,故选项C错误。取走线圈中的铁芯,则使线圈中的磁场大大减弱,则磁通量的变化率减小,感应电动势减小,故选项D错误。

5.如图所示,在内壁光滑、水平放置的玻璃圆环内,有一直径略小于圆环口径的带正电的小球,正以速率v0沿逆时针方向匀速转动。若在此空间突然加上方向竖直向上、磁感应强度B随时间成正比例增加的变化磁场,设运动过程中小球的电荷量不变,那么(　　)

A.小球对玻璃圆环的压力不断增大

B.小球受到的磁场力不断增大

C.小球先沿逆时针方向做减速运动,过一段时间后,沿顺时针方向做加速运动

D.磁场力对小球一直不做功

答案CD

解析因为玻璃圆环所在处有均匀变化的磁场,在周围产生稳定的涡旋电场,对带正电的小球做功,由楞次定律可判断感生电场方向为顺时针方向,在电场力作用下,小球先沿逆时针方向做减速运动,后沿顺时针方向做加速运动,选项C正确。小球在水平面内沿轨迹半径方向受环的弹力FN和磁场力F,而且两个力的矢量和时刻等于小球做圆周运动的向心力,由于小球速度大小的变化、方向的变化以及磁场强弱的变化,弹力FN和磁场力F不一定始终在增大,选项A、B错误。磁场力始终与圆周运动的线速度方向垂直,所以磁场力对小球不做功,选项D正确。

6.涡流检测是工业上无损检测的方法之一。如图所示,线圈中通以一定频率的正弦交变电流,靠近待测工件时,工件内会产生涡流,同时线圈中的电流受涡流影响也会发生变化。下列说法正确的是(　　)

A.涡流的磁场总是要阻碍穿过工件磁通量的变化

B.涡流的频率等于通入线圈的交变电流的频率

C.通电线圈和待测工件间存在周期性变化的作用力

D.待测工件可以是塑料或橡胶制品

答案ABC

解析涡流是感应电流,涡流的磁场总是阻碍穿过工件的磁通量的变化,而且涡流的频率与线圈中交变电流的频率相等,选项A、B正确。因待测工件中的涡流与通电线圈中的电流具有相同频率,因此二者间必有周期性的作用力,选项C正确。涡流只能在金属制品中产生,选项D错误。

二、非选择题

7.如图所示,光滑弧形轨道和一足够长的光滑水平轨道相连,水平轨道上方有一足够长的金属杆,杆上挂有一光滑螺线管A。在弧形轨道上高为h的地方,无初速度释放一磁铁B(可视为质点),B下滑至水平轨道时恰好沿螺线管A的中心轴运动,设A、B的质量分别为mA、mB,若最终A、B速度分别为vA、vB。

(1)螺线管A将向哪个方向运动?

(2)全过程中整个电路所消耗的电能是多少?

答案(1)向右运动

(2)mBgh-mAmB

解析(1)磁铁B向右运动时,螺线管中产生感应电流,感应电流产生电磁驱动作用,使得螺线管A向右运动。

(2)全过程中,磁铁减少的重力势能转化为A、B的动能和螺线管中的电能,所以

mBgh=mAmB+E电

即E电=mBgh-mAmB。