2024年高考物理选修二专题练习第3节 涡流、电磁阻尼和电磁驱动

《模型畫法·物理課堂》馮考必勝第3节涡流、电磁阻尼和电磁驱动【刷基础】【题型1感生电场的判断和应用】1．[四川成都外国语学校2021高二下月考](多选)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带电荷量不变，那么()A．磁场力对小球一直不做功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．小球受到的磁场力不变答案：AC解析：洛伦兹力始终与小球运动方向垂直，因此磁场力对小球一直不做功，故A正确；磁场方向竖直向上，磁场强度随时间成正比增加，由楞次定律可知，变化的磁场产生的感生电场沿顺时针方向，小球带正电，小球所受的电场力沿顺时针方向，与小球的运动方向相反，小球做减速运动，当小球速度减小到零后，小球就沿顺时针方向做加速运动，故C正确；由F磁＝qvB可知，随着磁感应强度的变化、小球速度变化，小球受到的磁场力不断变化，当小球速度减小到0后，磁场力为0，因此小球受到的磁场力不是不断增大，故B、D错误．2．电子感应加速器的基本原理如图所示．在上、下两个电磁铁形成的异名磁极之间有一个环形真空室．图甲为侧视图，图乙为真空室的俯视图．电磁铁中通以变化的电流使两磁极间的磁场周期性变化，从而在真空室内产生感生电场，将电子从电子枪右端注入真空室，电子在感生电场的作用下被加速，同时在洛伦兹力的作用下，在真空室中沿逆时针方向(图乙中箭头方向)做圆周运动．由于感生电场的周期性变化使电子只能在某段时间内被加速，但由于电子的质量很小，故在极短时间内被加速的电子可在真空室内回旋数十万以至数百万次，并获得很大的能量．若磁场的磁感应强度B(图乙中垂直于纸面向外为正)随时间变化的关系如图丙所示，不考虑电子质量的变化，电子在t＝0时注入真空室后由静止开始被加速，则下列说法中正确的是()A．电子在真空室中做匀速圆周运动B．电子在运动时的加速度始终指向圆心C．在丙图所示的第一个周期中，电子只能在0～eq\f(1,4)T内按图乙中逆时针方向做圆周运动且被加速D．在丙图所示的第一个周期中，电子在0～eq\f(1,4)T和eq\f(3,4)T～T内均能按图乙中逆时针方向做圆周运动且被加速答案：C解析：由于电子在真空室中的能量逐渐增大，说明其速度逐渐变大，故电子做的不是匀速圆周运动，A错误；只有当电子做匀速圆周运动时，其向心力才指向圆心，现在电子做的不是匀速圆周运动，所以电子在运动时的加速度并不始终指向圆心，B错误；在题图丙所示的第一个周期中，0～eq\f(T,4)内磁感应强度增大，原磁场的方向垂直于纸面向外，由楞次定律可知，感应磁场的方向与原磁场方向相反，为垂直于纸面向里，再由右手螺旋定则可知真空室中感生电场的方向为顺时针方向，该方向正好使电子加速；同理，在eq\f(T,4)～eq\f(3T,4)内，感生电场方向为逆时针方向，电子减速，直至沿顺时针方向转动，而eq\f(3T,4)～T时间内感生电场再次变为顺时针方向，此时电子会减速，故只有在0～eq\f(T,4)内，电子沿逆时针方向做圆周运动且被加速，C正确，D错误．【题型2感生电动势的判断与计算】3．[山东滨州2021高二上期末](多选)在竖直方向的匀强磁场中，水平放置一圆形导体环，导体环面积为S＝1m2，导体环的总电阻为R＝10Ω.规定导体环中电流的正方向如图甲所示，磁场向上为正．磁感应强度B随时间t的变化如图乙所示，B0＝0.1T．下列说法正确的是()A．t＝1s时，导体环中电流为零B．第2s内，导体环中电流为负方向C．第3s内，导体环中电流的大小为0.01AD．第4s内，通过导体环中某一截面的电荷量为0.01C答案：CD解析：0～2s时间内，磁场均匀变化，由法拉第电磁感应定律知，导体环中产生恒定电动势，因此t＝1s时，导体环中电流不为零，A错误；第2s内，导体环处的磁场方向向上且磁通量增大，根据楞次定律知，感应电流与图甲中的电流一致，为正方向，B错误；第3s内，感应电动势E＝eq\f(ΔΦ,Δt)＝eq\f(ΔB·S,Δt)＝0.1V，感应电流I＝eq\f(E,R)＝0.01A，C正确；第3s内与第4s内磁通量变化率相同，因此电流相同，则第4s内通过导体环中某一截面的电荷量q＝It＝0.01C，D正确．4.半径为r的圆环电阻为R，ab为圆环的一条直径．如图所示，在ab的一侧存在一个均匀变化的匀强磁场，磁场垂直圆环所在平面向里，磁感应强度大小随时间的变化关系为B＝B0＋kt(k＞0)，则()A．圆环中产生顺时针方向的感应电流B．圆环具有扩张的趋势C．圆环中感应电流的大小为eq\f(kπr2,2R)D．图中a、b两点间的电势差Uab＝eq\f(1,2)kπr2答案：C解析：由于磁感应强度均匀增大，穿过圆环的磁通量变大，根据楞次定律可知圆环中感应电流为逆时针方向，同时为了阻碍磁通量的变化，圆环具有收缩的趋势，故A、B选项错误；根据法拉第电磁感应定律得感生电动势E＝eq\f(S,2)·eq\f(ΔB,Δt)＝eq\f(1,2)kπr2，回路中的电阻为R，所以圆环中感应电流大小为I＝eq\f(E,R)＝eq\f(kπr2,2R)，故C选项正确；a、b两点间的电势差Uab＝I·eq\f(R,2)＝eq\f(kπr2,4)，故D选项错误．5．[福建莆田2021高二下月考](多选)如图甲所示，一个匝数为n的圆形线圈(图中只画了2匝)，面积为S，线圈的电阻为R，在线圈外接一个阻值为R的电阻和一个理想电压表，将线圈放入垂直线圈平面指向纸内的磁场中，磁感应强度随时间变化规律如图乙所示，下列说法正确的是()A．t1～t2时间内，P端电势高于Q端电势B．0～t1时间内，电压表的读数为eq\f(n（B1－B0）,t1)SC．t1～t2时间内，R上的电流为eq\f(nB1S,2（t2－t1）R)D．t1～t2时间内，圆形线圈中感应电流的方向沿顺时针答案：CD解析：t1～t2时间内，穿过线圈的磁通量减小，根据楞次定律知感应电流沿顺时针方向，线圈相当于电源，下端为正极上端为负极，所以Q端电势高于P端电势，A错误，D正确；0～t1时间内，线圈产生的感应电动势E＝neq\f(ΔΦ,Δt)＝n·eq\f(ΔB,Δt)·S，电压表的示数等于电阻R两端的电压，为U＝IR＝eq\f(E,2R)·R＝eq\f(n（B1－B0）S,2t1)，B错误；t1～t2时间内线圈产生的感应电动势E′＝neq\f(ΔΦ′,Δt′)＝n·eq\f(B1,t2－t1)·S，根据闭合电路的欧姆定律R上的电流I′＝eq\f(E′,2R)＝eq\f(nB1S,2（t2－t1）R)，C正确．【题型3涡流的产生】6．[江苏南通启东中学2020高二上质量检测](多选)如图所示为用来冶炼合金钢的真空冶炼炉，炉外有线圈，将金属材料置于冶炼炉中，线圈中通以电流，用感应加热的方法使炉内金属发热．下列说法中正确的是()A．线圈中通以恒定电流，金属材料中也能产生感应电流B．线圈中通以随时间变化的电流，在金属材料中会产生感应电流C．感应加热是利用金属材料中的涡流冶炼金属的D．感应加热是利用线圈电阻产生的焦耳热冶炼金属的答案：BC解析：在线圈中通以随时间变化的电流才会在金属材料中产生感应电流，故A选项错误，B选项正确；炉内金属中会产生感应电流，这种电流叫涡流，线圈电阻产生的热量很小，主要是由于金属中的自由电子在涡流产生的电场中高速运动，受到阻碍从而产生热量，感应加热是利用金属材料中的涡流冶炼金属的，故C选项正确，故D选项错误．7．[江西宜春高安中学2021高二上期末](多选)某中学每次段考监考老师都会手持金属探测器安检．实物及其结构原理图可简化为如图甲、乙所示．探测器运用的是电磁感应原理，发射线圈(外环)可以产生垂直于线圈平面且大小和方向均变化的磁场；内环线圈是接收线圈，用来收集被测金属物发出的磁场(接收线圈能完全屏蔽发射线圈产生的磁场)．随着发射线圈产生的磁场方向反复变化，它会与所遇的金属物发生作用，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．若发射线圈产生向下且增强的磁场，则下列说法中正确的是()A．金属物产生的感应磁场的方向竖直向上B．金属物中的涡流从上往下看是沿顺时针方向C．金属物发出的磁场穿过接收线圈时，接收线圈会产生微弱的电流，此类探测器相应的元件就是依据这一电流进行报警的D．如果金属物中某时刻发出向上的磁场，那接收线圈中的感应电流方向从上往下看是沿逆时针方向答案：AC解析：若发射线圈产生向下且增强的磁场，则穿过金属物的磁通量增大，根据楞次定律知，金属物中的涡流从上往下看是沿逆时针方向，涡流产生的磁场方向竖直向上，A正确，B错误；金属物发出的磁场穿过接收线圈时，接收线圈内磁通量发生变化，会产生微弱的感应电流，此类探测器相应的元件就是依据这一电流进行报警的，C正确；如果金属物中某时刻发出向上的磁场，如果磁场增强，则接收线圈中的感应电流方向从上往下看是沿顺时针方向，D错误．【题型4电磁阻尼与电磁驱动问题的分析】8．著名物理学家费曼曾设计过一个实验，如图所示．在一块绝缘圆盘上中部安一个线圈，并接有电源，圆盘的四周固定有许多带负电的小球，将整个装置支撑起来．忽略各处的摩擦，当电源接通的瞬间，下列关于圆盘的说法中正确的是()A．圆盘将逆时针转动(俯视)B．圆盘将顺时针转动(俯视)C．圆盘不会转动D．圆盘先逆时针转再顺时针转(俯视)答案：A解析：电源接通的瞬间，由安培定则可知线圈内的磁场方向向上，线圈中的电流增大将产生增强的磁场，则穿过绝缘圆盘的磁通量增加，根据电磁场理论可知，变化的磁场会产生电场，根据楞次定律可知，线圈周围产生顺时针方向的电场，负电荷受到的电场力与电场方向相反，则带负电的小球会受到逆时针方向的电场力，故圆盘将逆时针转动(俯视)，A选项正确，B、C、D选项错误．9．[安徽蚌埠三中2021高二下教学质量检测]如图所示为实验室所用的某种灵敏天平，安装在天平臂一端(图中的右端)的金属片置于蹄形磁铁的两个磁极之间，该装置有利于振动的天平臂迅速平静下来，现因物体放置在秤上引起天平臂的摆动，带动金属片上下运动，则以下说法正确的是()A．当金属片上下运动时，由于穿过金属片的磁通量没有发生变化，因此金属片中没有感应电流B．当金属片上下运动时，金属片中会产生逆时针方向的涡流C．当金属片向上运动时，金属片受到向下的磁场力D．由于金属片在上下运动，受到的磁场力总是阻碍金属片的运动，使其机械能转化为内能，导致物体质量测量值偏小答案：C解析：当金属片上下运动时，穿过金属片的磁通量发生变化，金属片中产生感应电流，A错误；当金属片上下运动时，金属片中会产生方向变化的涡流，涡流的方向与金属片的运动方向有关，B错误；当金属片向上运动时，根据“来拒去留”原则，金属片受到向下的磁场力，C正确；当天平静止时，磁场力消失，不会导致物体质量测量值偏小，D错误．【题型5涡流的应用及防止】 10．关于涡流，下列说法中错误的是()A．真空冶炼炉是利用涡流来熔化金属的装置B．家用电磁炉锅体中的涡流是由恒定磁场产生的C．阻尼摆摆动时产生的涡流总是阻碍其运动D．变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成能减小涡流答案：B解析：真空冶炼炉是利用涡流来熔化金属的装置，A选项正确；要想产生涡流，必须是变化的磁场，因为变化的磁场才能产生电场，产生涡流，B选项错误；根据楞次定律可知，阻尼摆摆动时产生的涡流总是阻碍其运动，C选项正确；涡流会造成能量的损失，所以变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成，是为了减小涡流造成的能量损失，D选项正确．11．(多选)“电磁感应铝箔封口机”被广泛应用在医药、食品、化工等生产行业的产品封口环节中，如图所示为一手持式封口机，它的工作原理是：当接通电源时，内置线圈产生磁场，当磁感线穿过封口铝箔材料的瞬间产生大量小涡流，致使铝箔自行快速发热，熔化复合在铝箔上的溶胶，从而粘贴在承封容器的封口处，达到迅速封口的目的．下列有关说法正确的是()A．封口材料可用普通塑料来代替铝箔B．该封口机可用干电池作为电源以方便携带C．封口过程中温度过高，可适当减小所通电流的频率来解决D．该封口机适用于玻璃、塑料等材质的容器封口但不适用于金属容器答案：CD解析：由于封口机利用了电磁感应原理，故封口材料必须是金属类材料，而且电源必须是交流电，故A、B错误；减小内置线圈中所通过电流的频率可以降低封口过程中产生的热量，即控制温度，故C正确；封口材料应是金属类材料，但对应被封口的容器不能是金属，否则同样被熔化，只能是玻璃、塑料等材质的容器，故D正确．【刷提升】1．[安徽皖北名校2021高二上期末](多选)关于涡流、电磁阻尼、电磁驱动，下列说法正确的是()A．金属探测器应用于安检场所，探测器利用了涡流的原理B．金属探测器可用于大米装袋，防止细小的砂石颗粒混入大米中C．电磁炉利用电磁阻尼工作，录音机在磁带上录制声音利用电磁驱动工作D．磁电式仪表中用来作为线圈骨架的铝框能起电磁阻尼的作用答案：AD解析：金属探测器在探测金属时，由于在被测金属中产生的涡流从而使报警器工作，A正确；金属探测器探测原理是在被探测物体中由于电磁感应产生涡流来进行工作，食品中的砂石不是金属，所以不能产生涡流，B错误；电磁炉利用涡流工作，录音机在磁带上录制声音时，是利用了电流的磁效应，使磁带上的磁粉被磁化，C错误；磁电式仪表中用来作为线圈骨架的铝框中可以产生感应电流能起电磁阻尼的作用，D正确．2．[山东邹城一中2021高二下月考]电磁炉采用感应电流(涡流)的加热原理，其原理图如图所示．它是通过电子线路产生交变磁场，把铁锅放在炉面上时，在铁锅底部产生交变电流．它具有升温快、效率高、体积小、安全性好等优点．下列关于电磁炉的说法正确的是()A．电磁炉面板可采用陶瓷材料，发热部分为铁锅底部B．电磁炉面板可采用金属材料，通过面板发热加热锅内食品C．电磁炉可以用陶瓷器皿作为锅具对食品加热D．电磁炉的锅具一般用铁锅，是因为铝锅、铜锅中不能形成涡流答案：A解析：电磁炉面板可采用陶瓷材料，如果采用金属材料，在交变磁场中产生涡流发热，会使线圈烧毁，A正确，B错误；用陶瓷器皿作为锅具不能形成涡流，不能对食品加热，C错误；铝锅、铜锅在电磁炉上也能形成涡流，但由于铝、铜导磁性弱，通过它们的磁场只是一小部分，因此在铝锅、铜锅中形成的涡流远比铁锅中的小，而非不能形成涡流，D错误．3．[山东新高考协作体2021高二下月考]M、N两个闭合正方形线圈用相同的导线制成，分别为10匝和30匝，边长lM＝3lN，图示区域内有垂直于纸面向外的匀强磁场，且磁感应强度B随时间变化的规律为B＝B0＋kt(k<0)，不考虑线圈之间的相互影响，则下列说法正确的是()A．两线圈内产生顺时针方向的感应电流B．M、N线圈中感应电动势大小之比为1∶9C．M、N线圈中感应电流大小之比为1∶3D．M、N线圈中的电功率之比为1∶27答案：D解析：两线圈中的磁通量随时间不断减小，根据楞次定律知，两线圈内产生逆时针方向的感应电流，A错误；穿过两线圈的磁通量随时间的变化率相等，根据法拉第电磁感应定律得M、N线圈中感应电动势大小之比为eq\f(EM,EN)＝eq\f(10,30)＝eq\f(1,3)，B错误；根据电阻定律，M、N线圈的电阻之比为eq\f(RM,RN)＝eq\f(lM,lN)＝3，根据闭合电路欧姆定律可得M、N线圈中感应电流大小之比为eq\f(IM,IN)＝eq\f(EM,EN)·eq\f(RN,RM)＝eq\f(1,9)，C错误；M、N线圈中的电功率之比为eq\f(PM,PN)＝eq\f(EM,EN)·eq\f(IM,IN)＝eq\f(1,27)，D正确．4．[湖北荆州六县市区2021高二上期末](多选)如图甲所示，轻质绝缘细线吊着一匝数为10、边长为1m、总电阻为1Ω、总质量为0.5kg的正方形闭合导线圈abcd，线圈的中间位置以下区域分布着方向垂直纸面向里的磁场，磁感应强度大小随时间变化关系如图乙所示(g取10m/s2)．则()A．线圈中产生的感应电流的方向为逆时针方向B．线圈的电功率为0.5WC．通过线圈的电流为0.25AD．在t＝2s时轻质细线的拉力大小为3.5N答案：AD解析：由楞次定律知线圈中产生的感应电流的方向为逆时针方向，A正确；由法拉第电磁感应定律得E＝neq\f(ΔΦ,Δt)＝n·eq\f(1,2)L2eq\f(ΔB,Δt)＝0.5V，则P＝eq\f(E2,r)＝0.25W，B错误；通过线圈的电流I＝eq\f(E,r)＝0.5A，C错误；由题图乙可知，当t＝2s时，B＝0.3T，线圈受到的安培力F安＝nBIL，由平衡条件得F安＋F线＝mg，联立解得F线＝3.5N，D正确．5．如图所示，竖直放置的螺线管与导线abcd构成回路，导线所在区域内有一垂直纸面