2024-2025年高中物理第二章电磁感应3涡流电磁阻尼和电磁驱动检测含解析新人教版选择性必修2

PAGEPAGE8涡流、电磁阻尼和电磁驱动(25分钟60分)一、选择题(本题共6小题，每小题6分，共36分)1．电磁炉具有无烟、无明火、无污染、不产生有害气体、无微波辐射、高效节能等优势。电磁炉是利用电流通过线圈产生磁场，当磁场的磁感线通过铁质锅底部时，即会产生多数小涡流，使锅体本身自行高速发热，然后再加热锅内食物。下列相关说法中正确的是()A．锅体可以用不导电的陶瓷制成B．锅体中的涡流是由恒定的磁场产生的C．恒定磁场越强，电磁炉的加热效果越好D．提高磁场改变的频率，可提高电磁炉的加热效果【解析】选D。锅体中的涡流是由改变的磁场产生的，陶瓷属于绝缘体，不能导电，无法形成涡流，故A、B、C错误；提高磁场改变的频率，可提高电磁炉的加热效果。故D正确。2．电磁炉是利用涡流加热的，它利用交变电流通过线圈产生改变磁场，当磁场内的磁感线通过锅底时，即会产生多数小涡流，使锅体本身高速发热，从而达到烹饪食物的目的。下列的锅具或容器中，适用于电磁炉的是()A．煮中药的瓦罐 B．不锈钢锅C．玻璃茶杯 D．塑料盆【解析】选B。煮中药的瓦罐、玻璃茶杯、塑料盆都不是铁质锅，不能被磁化，因而不能形成涡流(即电流)，故不能用来加热食物，故A、C、D错误，B正确。3．如图所示，使一个铜盘绕其竖直的轴OO′转动，且假设摩擦等阻力不计，转动是匀速的。现把一个蹄形磁铁移近铜盘，则()A．铜盘转动将变慢B．铜盘转动将变快C．铜盘仍以原来的转速转动D．铜盘转动速度是否改变，要依据磁铁的上、下两端的极性来确定【解析】选A。当蹄形磁铁移近铜盘时，铜盘转动切割磁感线，产生感应电流，由楞次定律可知感应电流所受的安培力阻碍其相对运动，所以铜盘转动将变慢。从能量守恒的角度去分析，因为铜盘转动切割磁感线，产生感应电流，铜盘的机械能不断转化成电能，铜盘转动会渐渐变慢，A项正确。4．金属探测器已经广泛应用于安检场所，关于金属探测器的论述正确的是()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与被测物体相对静止与相对运动探测效果相同【解析】选C。金属探测器只能探测金属，不能用于食品生产防止细小的砂石颗粒混入食品中，故A错误；金属探测器探测金属时，被测金属中感应出涡流，故B错误，C正确；探测过程中工作时金属探测器应与被测物体相对运动，相对静止时无法得出探测效果，故D错误。5．(多选)涡流检测是工业上无损检测的方法之一。如图所示，线圈中通以肯定频率的正弦沟通电，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改变。下列说法中正确的是()A.涡流的磁场总是要阻碍穿过工件磁通量的改变B．涡流的频率等于通入线圈的沟通电频率C．通电线圈和待测工件间存在周期性改变的作用力D．待测工件可以是塑料或橡胶制品【解析】选A、B、C。依据楞次定律得知：感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的改变，故涡流的磁场总是要阻碍穿过工件磁通量的改变，故A正确。感应电流的频率与原电流的频率是相同的，涡流的频率等于通入线圈的沟通电频率，故B正确；因为线圈沟通电是周期性改变的，故在工件中引起的涡流也是周期性改变的，可知通电线圈和待测工件间存在周期性改变的作用力，故C正确；电磁感应只能发生在金属物体上，故待测工件只能是金属制品，故D错误。6．(多选)关于涡流，下列说法中正确的是()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．阻尼摆摇摆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【解析】选A、C、D。用来冶炼合金钢的真空冶炼炉，炉外有线圈，线圈中通入反复改变的电流，炉内的金属中产生涡流，涡流产生的热量使金属熔化，所以A正确；家用电磁炉通的是沟通电，沟通电产生的是改变的磁场，不是恒定的磁场，故B错误；阻尼摆的金属盘以肯定相对速度旋转拂过磁场时在金属盘内会产生感应电动势从而产生感应电流，因金属盘有电阻，电流做功，消耗机械能，因此产生阻碍金属回旋转的阻尼作用，故C正确；用绝缘的硅钢片做铁芯，是为了减小涡流，减小能量损失，所以D正确。二、非选择题(本题共2小题，共24分。要有必要的文字说明和解题步骤，有数值计算的要注明单位)7．(12分)在现代家庭的厨房中，电磁炉是家庭主妇特别青睐的炊具。利用以下材料并结合已学习的电磁学学问分析、探讨相关问题。如图是描述电磁炉工作原理的示意图。电磁炉的内部有一个金属线圈，当电流通过线圈时，会产生磁场，这个磁场的大小和方向是随电流不断改变的，这个改变的磁场又会使放在电磁炉上面的铁质(或钢质)锅底内产生感应电流，由于锅底有电阻，所以感应电流又会在锅底产生热效应，这些热能便能起到加热食物的作用。因为电磁炉是由电磁感应产生电流，利用电流的热效应产生热量，所以不是全部的锅或器具都适用。适合放在电磁炉上烹饪的器具有不锈钢锅、不锈钢壶、平底铁锅；不适用的有陶瓷锅、耐热玻璃锅、铝锅、铜锅等。综合以上材料分析下列问题：(1)在电磁炉加热食物的过程中涉及的物理原理有(回答三个即可)：①______________________________________________；②_______________________________________________；③_______________________________________________。(2)电磁炉的锅不能用陶瓷锅、耐热玻璃锅的缘由是_______________________________________________________________；电磁炉所用的锅不能用铝锅、铜锅的缘由是_______________________________________________________________。【解析】(1)①电流的磁效应(或电生磁)；②电磁感应现象(或磁生电)；③电流的热效应(或焦耳定律)。(2)陶瓷和玻璃是绝缘体，不能产生电磁感应现象；铝、铜的导磁性太差，效率低。答案：见解析8．(12分)如图甲为电磁炉的原理，它利用高频的电流通过环形线圈，从而产生多数封闭磁感线，当磁感线通过导磁性材料(如铁质锅)的底部，而底部可看作由多数个导体圆环构成，当穿过圆环的磁通量发生改变时，圆环上就产生感应电流，即小涡流(一种交变电流，家用电磁炉运用的是15～30kHz的高频电流)。它和一般电流一样要放出焦耳热，会使锅体本身自行高速发热，然后再加热锅内食物。(1)为什么锅体必需是导磁性材料？(2)如图乙所示为某品牌电磁炉的结构示意图。电磁炉是依据涡流原理给锅加热的，调查探讨电磁炉与一般烹饪炉具比较具有哪些优点？(写出两条即可)【解析】(1)由于非导磁性材料不能有效会聚磁感线，几乎不能形成涡流，所以基本上不加热；另外，导电实力特殊差的磁性材料由于其电阻率太高，产生的涡流电流也很小，也不能很好地产生热量。所以，电磁炉运用的锅体材料导电性能相对较好，一般采纳铁磁性材料的金属或者合金以及它们的复合体，一般采纳的锅有：铸造铁锅、生铁锅、不锈钢锅。纯不锈铁锅材料由于其导磁性能特别低，所以在电磁炉上并不能正常工作。(2)①热效率高。由于电磁炉是通过涡流而使锅体发热的，它不存在热量再传导或辐射的过程，也就削减了传导和辐射过程中的热量损耗，热效率较高。一般电炉的热效率为50%，煤气灶的热效率为40%，而电磁炉的热效应可达80%。②控温精确。电磁炉能便利而精确地依据用户的要求限制发热功率及烹调温度，热惯性小，断电即断磁，也就不再发热，而且使锅内温度分布匀称，烹调效果好。③平安牢靠。由于电磁炉运用时不产生明火，再加上电磁炉本身不发热，并且又附有多种自动爱护功能，因此运用时，不会发生烫伤事故，也不会引起火灾、爆炸、中毒等事故。④清洁卫生。由于电磁炉无明火，无烟，不会产生有害气体污染空气，还能保持锅体和电磁炉清洁，由于电磁炉面板为微晶玻璃制成，即使食物溢出也不会焦煳，如有污物很简洁擦净。⑤运用便利。电磁炉体积小，重量轻，操作简洁，一目了然，可随意搬动，便于携带，可以作为外出旅游之用，也可以放在餐桌上运用。答案：见解析【补偿训练】如图所示是阻尼摆的示意图，在轻质杆上固定一金属薄片，轻质杆可绕上端O点在竖直面内转动，一水平有界磁场垂直于金属薄片所在的平面。使摆从图中实线位置释放，摆很快就会停止摇摆；若将摆改成梳齿状，还是从同一位置释放，摆会摇摆较长的时间。试定性分析其缘由。【解析】第一种状况下，阻尼摆进入有界磁场后，在摆中会形成涡流，涡流受磁场的阻碍作用，会很快停下来；其次种状况下，将金属摆改成梳齿状，阻断了涡流形成的回路，从而减弱了涡流，受到的阻碍会比从前小得多，所以会摇摆较长的时间。答案：见解析(15分钟40分)9．(9分)物理课上，老师做了一个“奇妙”的试验：如图所示，将30cm长的铜管竖直放置，一磁性很强的磁铁从上管口由静止释放，视察到磁铁用较长时间才从下管口落出。对于这个试验现象同学们经分析探讨作出相关的推断，你认为正确的是(下落过程中不计空气阻力，磁铁与管壁没有接触)()A.假如磁铁的磁性足够强，磁铁会停留在铜管中，恒久不落下来B．磁铁在铜管中运动的过程中，由于不计空气阻力，所以机械能守恒C．假如磁铁的磁性足够强，磁铁在铜管中运动时间更长，但肯定会落下来D．假如将铜管换成塑料管，磁铁从塑料管中出来也会用较长时间【解析】选C。假如磁铁的磁性足够强，磁铁在铜管中运动受到阻力更大，这是因为当磁铁运动时才会导致铜管的磁通量发生改变，才出现感应磁场阻碍原磁场的改变的状况，所以运动时间变长，但肯定会落下，故A错误，C正确；磁铁在铜管中运动的过程中，虽不计空气阻力，但在运动过程中，出现安培力做功产生热能，所以机械能不守恒，故B错误；假如将铜管换成塑料管，磁铁不会受到安培力的阻碍作用，做自由落体运动，故D错误。10．(9分)在水平面上放置两个完全相同的带中心轴的金属圆盘，它们彼此用导线把中心轴和对方圆盘的边缘相连接，组成电路如图所示，一匀强磁场穿过两圆盘垂直向外，若不计一切摩擦，当a盘在外力作用下做逆时针转动时，圆盘b()A.沿与a盘相同的方向转动B．沿与a盘相反的方向转动C．转动的角速度肯定大于a盘的角速度D．转动的角速度可能等于a盘的角速度【解析】选B。金属盘可看作由多根金属辐条组成，a盘在外力作用下逆时针转动时，圆盘切割磁感线，由右手定则可知，电动势方向由圆心到圆盘a边缘通过导线和圆盘b组成闭合电路，而b盘在安培力作用下顺时针转动，圆盘a产生的电能一部分转化为b的动能，另一部分转化为两个圆盘的内能，故圆盘b的角速度应小于圆盘a的角速度，B正确，A、C、D错误。【补偿训练】如图所示，矩形线圈放置在水平薄木板上，有两块相同的蹄形磁铁，四个磁极之间的距离相等，当两块磁铁匀速向右通过线圈时，线圈仍静止不动，那么线圈受到木板的摩擦力方向是()A．先向左，后向右B．先向左、后向右、再向左C．始终向右D．始终向左【解析】选D。依据楞次定律的“阻碍改变”知“来拒去留”，当两磁铁靠近线圈时，线圈要阻碍其靠近，线圈有向右移动的趋势，受木板的摩擦力向左，当磁铁远离时，线圈要阻碍其远离，仍有向右移动的趋势，受木板的摩擦力方向仍是向左的，故选项D正确。11．(22分)如图所示，质量m＝100g的铝环用细线悬挂起来，环中心距地面高度h＝0.8m，有一质量为M＝200g的小磁铁(长度可忽视)以v0＝10m/s的水平速度射入并穿过铝环，落地点距铝环原位置的水平距离x＝3.6m，小磁铁穿过铝环后的运动可看作平抛运动。(g取10m/s2)(1)在磁铁与铝环发生相互作用时，铝环向哪边偏？(2)若铝环在磁铁穿过后速度为v＝2m/s，则在磁铁穿过铝环的整个过程中，环中产生了多少电能？【解析】(1)由楞次定律可知，当小磁铁向右运动时，铝环向右偏(阻碍相对运动)。(2)在磁铁穿过铝环后落地的过程中，由平抛运动规律有h＝eq\f(1,2)gt2x＝v′t得磁铁穿过铝环后的速度v′＝9m/s。由能量守恒定律可得Q电＝eq\f(1,2)Mveq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(0))－eq\f(1,2)Mv′2－eq\f(1,2)mv2＝1.7J答案：(1)右偏(2)1.7J【补偿训练】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M、m，若最终A、B速度分别为vA、vB。则：(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？【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，磁铁削减的重力势能转化为A、B的动能和螺线管中的电能，所以mgh＝eq\f(1,2)Mveq