2021—2022学年高二上学期物理选择性必修第二册第二章电磁感应2.3涡流,电磁阻尼和电磁驱动
一、单选题(本大题共7小题,每小题4分,共28分)
年,法国科学家阿拉果完成了著名的“圆盘实验”,实验中将一铜圆盘水平放置,在其中心正上方用柔软细线悬挂一枚可以自由旋转的磁针,如图所示。实验中发现,当圆盘绕过圆盘中心的竖直轴旋转时,磁针也随着圆盘一起转动,但略有滞后。下列说法正确的是( )
A. 圆盘上没有产生感应电动势
B. 圆盘内产生从边缘到中心的感应电流
C. 在圆盘转动的过程中,磁针的磁场穿过整个圆盘的磁通量发生了变化
D. 圆盘内产生涡流,此电流产生的磁场导致磁针转动
下列现象中利用的主要原理与电磁感应无关的有
A. 如图甲所示,真空冶炼炉外有线圈,线圈中通入高频交流电,炉内金属能迅速熔化
B. 如图乙所示,安检门可以检测金属物品,如携带金属刀具经过时,会触发报警
C. 如图丙所示,放在磁场中的玻璃皿内盛有导电液体,其中心放一圆柱形电极,边缘内壁放一环形电极,通电后液体就会旋转起来
D. 如图丁所示,用一蹄形磁铁接近正在旋转的铜盘,铜盘很快静止下来
涡流、电磁驱动和电磁阻尼都是电磁感应现象,三者常常有紧密联系。下列说法正确的是
A. 图甲中,如果在上下振动的磁铁下固定一个铝板,磁铁会很快静止下来,这属于电磁阻尼现象
B. 图甲中,如果在上下振动的磁铁下固定一个铝板,磁铁振动时,铝板中会产生涡流,涡流对磁铁总有排斥作用
C. 图乙中,竖直放置的蹄形磁铁转动后,同轴的闭合线圈会同向转动,这属于电磁阻尼现象
D. 图乙中,蹄形磁铁匀速转动时间足够长,闭合线圈的转速可以大于蹄形磁铁的转速
如图所示,一根两端开口的铜管竖直放置,一磁性较强的柱形磁体从上端放入管中,过了较长时间才从铜管下端落出,比自由落体慢了许多.则
A. 磁体下落变慢,主要是由于磁体受到了空气的阻力
B. 磁体下落变慢,主要是由于磁体受到金属铜的吸引
C. 铜管对磁体的作用力方向始终向上
D. 铜管内感应电流方向保持不变
下列说法中正确的有
A. 只要闭合电路内有磁通量,闭合电路中就有感应电流产生
B. 安培提出了分子电流假说,奥斯特揭示了电流的磁效应,法拉第发现了电磁感应现象
C. 线框不闭合时,若穿过线圈的磁通量发生变化,线圈中没有感应电流和感应电动势
D. 用微波炉和电磁炉加热时,要特别注意安全,应选用塑料或瓷器做成的容器
如图,一个铝框放在蹄形磁铁的两磁极之间,可以绕支点自由转动。先使铝框和磁铁静止,然后转动磁铁,若忽略空气和一切摩擦阻力,则
A. 铝框与磁铁的转动方向总相同
B. 铝框与磁铁的转动方向总相反
C. 当磁铁停止转动后,铝框将会保持匀速转动
D. 若两者静止时转动铝框,磁铁则不会转动
零刻度在表盘正中间的电流计,非常灵敏,通入电流后,线圈所受安培力和螺旋弹簧的弹力作用达到平衡时,指针在示数附近的摆动很难停下,使读数变得困难。在指针转轴上装上的扇形铝框或扇形铝板,在合适区域加上磁场,可以解决此困难。下列方案合理的是
A. B. C. D.
二、多选题(本大题共3小题,每小题6分,选不全3分,共18分)
如图所示,用丝线将一个圆形金属板悬于点,竖直虚线左边有垂直于纸面向外的匀强磁场,而右边没有磁场,不计空气阻力,现将金属板从图示位置由静止释放,金属板面在摆动过程中始终与磁场垂直。下列说法中正确的有
A. 金属板在进入和离开磁场过程,板内产生感应电流
B. 板内不能产生感应电流,金属板摆动不会停止
C. 板内虽然能产生感应电流,但受到的安培力合力为零,故金属板摆动幅度不会改变
D. 金属板的摆动幅度逐渐减小,摆动一段时间后会停止
下列四个图都与涡流有关,其中说法正确的是
A. 真空冷炼炉是利用涡流来熔化金属的装置
B. 自制金属探测器是利用地磁场来进行探测的
C. 电磁炉工作时在它的面板上产生涡流加热食物
D. 变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠合而成是为了减小涡流
图甲为磁控健身车,图乙为其车轮处结构示意图,在金属飞轮的外侧有一些磁铁与飞轮不接触,人用力蹬车带动飞轮旋转时,磁铁会对飞轮产生阻碍,拉动旋钮拉线可以改变磁铁与飞轮间的距离.下列说法正确的有
A. 飞轮受到的阻力主要来源于磁铁对它的安培力
B. 飞轮转速一定时,磁铁越靠近飞轮,飞轮受到的阻力越小
C. 磁铁和飞轮间的距离一定时,飞轮转速越大,受到的阻力越小
D. 磁铁和飞轮间的距离一定时,飞轮转速越大,内部的涡流越强
三、填空题(本大题共2小题,共14分)
图示是利用高频交变电流焊接自行车零件的原理示意图,其中外圈是通有高频交变电流的线圈,是自行车的零件,是待焊接的接口,接口两端接触在一起。当中通以交变电流时,中会产生感应电动势,使得接口处的金属熔化而焊接起来。
在其他条件不变的情况下,交变电流的频率越高,金属熔化得越______填“快”或“慢”。
在焊接过程中,接口处最先被熔化的原因是_________________________。
在如图甲所示的电路中,电阻,匝数为匝的圆形金属线圈半径为,线圈导线的电阻为。圆形金属线圈区域内存在着半径为,方向垂直于线圈平面向里的匀强磁场,磁场的磁感应强度随时间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和,其余导线的电阻不计。闭合,至时刻,电路中的电流已稳定,此时线圈中产生的感应电动势______ ,电容器的______ 上板下板带正电,线圈两端电压______ 。
四、计算题(本大题共4小题,每小题各10分,共40分)
如图所示,弹簧上端固定,下端悬挂一个磁体。将磁体托起到某一高度后放开,磁体能上下振动较长时间才停下来。如果在磁体下端放一个固定的闭合线圈,使磁极上下振动时穿过它,磁体就会很快地停下来。分析这个现象的产生原因,并说明此现象中能量转化的情况。
有一个匝数为匝的金属环,面积,电阻,环内有垂直纸面的磁场,线圈中的磁感应强度按如图所示的规律变化。求
环中感应电流的方向
线圈中产生的感应电动势大小
分钟环内产生的焦耳热
如图所示,面积为的匝线圈处在磁场中,磁场方向垂直于线圈平面向里.磁感应强度随时间变化的规律是,已知电路中的,,电容,线圈的电阻,求:
闭合后,通过的电流大小及方向;
闭合一段时间后,再断开,求断开后通过的电荷量是多少?
如图所示,边长为的单匝正方形金属线框质量为、电阻为,用细线把它悬挂于有水平边界的方向垂直纸面向内的匀强磁场中,线框的上一半处于磁场内,下一半处于磁场外,磁场的磁感应强度大小随时间的变化规律为重力加速度为,细线能够承受的最大拉力为.
说出感应电流的方向;
求线框静止时线框中感应电流的大小;
求从计时开始到细线断裂经历的时间.
2.3涡流,电磁阻尼和电磁驱动参考答案
1.【答案】
解析A.圆盘转动时,可看成沿半径方向的金属条切割磁感线,从而在圆心和边缘之间产生了感应电动势,故A错误;
圆盘在径向的金属条切割磁感线过程中,内部距离圆心远近不同的点电势不等,从而形成涡流,但方向不是从从边缘到中心,涡流产生的磁场又导致磁针转动,故B错误,D正确;
C.由于圆盘面积不变,距离磁针的距离不变,故在磁针的磁场中,穿过整个圆盘的磁通量没有变化,故C错误。
2.【答案】
解析A.真空冶炼炉中的线圈通有高频电流,由于电磁感应,从而在线圈中产生很强的变化的电磁场,最终导致炉内金属产生涡流,使其达到很高的温度
B.金属物体过安检门时,金属物在安全门的磁场中发生电磁感应现象内部出现感应电流,感应电流产生的磁场反作用于安检门发生报警;
C.导电液体之所以会旋转,是因为安培力的作用,不是电磁感应现象;
D.磁场中旋转铜盘由于切割磁感线发生电磁感应内部产生环形电流,电流在磁场力作用下使圆盘很快停下来,此为电磁阻尼现象;
本题选择不是电磁感应的,故选C。
3.【答案】
解析图甲中,磁铁振动时铝板中磁通量会发生变化,会产生感应电流即涡流,根据楞次定律,涡流对磁铁运动有阻碍作用,即靠近时排斥,远离时吸引,这是电磁阻尼的具体实例,故A正确,B错误;
图乙中,蹄形磁铁逆时针转动时,穿过闭合线圈的磁通量会变化,会产生感应电流,感应电流阻碍它们之间的相对运动,所以同轴的闭合线圈也逆时针转动,这是电磁驱动;闭合线圈的转速一定小于蹄形磁铁的转速,不然就不会有感应电流,也就不会有动力,故CD错误。
故选A。
4.【答案】
解析磁体下落变慢,产生该现象的原因是磁体下落,变化的磁场在铜管内激发出了涡流,涡流反过来又对强磁铁产生了很大的阻力,铜管对磁体的作用力方向始终向上,故AB错误,C正确;
D. 根据楞次定律知铜管对磁体先有向上的斥力,再有向上的吸引力,电流方向发生改变,故D错误。故选C。
5.【答案】
解析A.只有闭合电路内有磁通量的变化,闭合电路中才有感应电流产生,故A错误;
B.安培提出了分子电流假说,奥斯特揭示了电流的磁效应,法拉第发现了电磁感应现象,故B正确;
C.线框不闭合时,若穿过线圈的磁通量发生变化,线圈中没有感应电流,但有感应电动势,故C错误;
D.用微波炉,要特别注意安全,应选用塑料或瓷器做成的容器,电磁炉加热时,用金属,故D错误。
故选B。
6.【答案】
解析由楞次定律可知,铝框的转动将阻碍其磁通量的变化,故两者转动方向相同,但转速不能超过磁铁的转速,A正确,B错误
C.磁铁停止转动后,铝框的转动将产生感应电流,从而铝框会受到安培力的作用,阻碍铝框的转动,故铝框会慢慢停下来, C错误
D.两者静止时转动铝框,铝框将产生感应电流,进而将产生磁场,可使磁铁转动, D错误。
7.【答案】
解析:、如图所示,当指针向左偏转时,铝框或铝板可能会离开磁场,产生不了感应电流,起不到电磁阻尼的作用,指针不能很快停下,所以、方案不合理,故AC错误;
B、此图是铝框,磁场在铝框中间,当指针偏转角度较小时,钼框不能切割磁感线,不能产生感应电流,起不到电磁阻尼的作用,指针不能很快停下,方案不合理,故B错误;
D、此图是铝板,磁场在铝板中间,无论指针偏转角度大小,都会在铝板上产生感应电流,起到电磁阻尼的作用,指针会很快稳定的停下,便于读数,方案合理,故D正确.故选:。
8.【答案】
解析当金属板进入或离开磁场区域时磁通量发生变化,会产生电流,可知金属板在进入和离开磁场过程,板内产生感应电流,故A正确,B错误;
根据楞次定律得出感应电流的产生会阻碍线圈运动,即有机械能通过安培力做负功转化为内能;当板没有磁通量的变化时,无感应电流,只有重力做功,板的机械能守恒。据以上可知,板在运动过程中只有摆进或摆出磁场时有机械能转化为内能,所以板的摆动幅度逐渐减小,摆动一段时间后会停止,故D正确,C错误。故选AD。
9.【答案】
解析A.真空冷炼炉是线圈中的电流做周期性变化,在金属中产生涡流,从而产生大量的热量,熔化金属的,故A正确;
B.金属探测器中变化电流遇到金属物体,在被测金属中上产生涡流来进行探测,故B错误;
C.家用电磁炉工作时,在锅体中产生涡流,加热食物,故C错误;
D.当变压器中的电流变化时,在其铁芯将产生涡流,使用相互绝缘的硅钢片叠合做成的铁芯可以尽可能减小涡流,故D正确。故选AD。
10.【答案】
解析:、飞轮在磁场中做切割磁感线的运动,所以会产生电源电动势和感应电流,根据楞次定律可知,磁场会对运动的飞轮产生阻力,以阻碍飞轮与磁场之间的相对运动,所以飞轮受到的阻力主要来源于磁铁对它的安培力.故A正确;
B、磁铁越靠近飞轮,飞轮处于的磁感应强度越强,所以在飞轮转速一定时,磁铁越靠近飞轮,飞轮上产生的感应电动势和感应电流越大;飞轮受到的阻力越大.故B错误;
C、磁铁和飞轮间的距离一定时,根据法拉第电磁感应定律可知,飞轮上产生的感应电动势和感应电流越大;飞轮受到的阻力越大.故C错误;
D、磁铁和飞轮间的距离一定时,根据法拉第电磁感应定律可知,飞轮上产生的感应电动势和感应电流越大;故D正确.
故选:
11.【答案】快;接口处电阻大,产生热量多。
解析 高频焊接利用高频交变电流产生高频交变磁场,在焊接的金属工件中就产生感应电流,根据法拉第电磁感应定律分析可知,电流变化的频率越高,磁通量变化频率越高,产生的感应电动势越大,感应电流越大,焊缝处的温度升高的越快;焊缝处横截面积小,电阻大,电流相同,焊缝处热功率大,温度升的很高。
故答案为:快;接口处电阻大,产生热量多。
12.【答案】 ;下板;。
解析:根据法拉第电磁感应定律,则有:;
根据楞次定律可知,线圈产生的顺时针方向电流,则电容器下极板带正电;
电路中产生的感应电流为:,线圈两端的电压为。
故答案为:;下板;。
13.解:当条形磁体的极靠近线圈时,线圈中向下的磁通量增加,根据楞次定律可得,线圈中感应电流的磁场应该向上,再根据右手螺旋定则,判断出线圈中的感应电流方向为逆时针方向自上而下看;感应电流的磁场对条形磁体极的作用力向上,阻碍条形磁体向下运动。当条形磁体的极远离线圈时,线圈中向下的磁通量减小,根据楞次定律可得,线圈中感应电流的磁场应该向下,再根据右手螺旋定则,判断出线圈中的感应电流方向为顺时针方向自上而下看。感应电流的磁场对条形磁体极的作用力向下,阻碍条形磁体向上运动;因此,无论条形磁体怎样运动,都将受到线圈中感应电流磁场的阻碍作用,所以条形磁体较快地停了下来,在此过程中,弹簧和磁体的机械能转化为线圈中的电能。
14.解:由楞次定律可知,环中感应电流的方向逆时针;
由图可知:,则据法拉第电磁感应定律得:
;
分钟环内产生的焦耳热为:
;
答:环中感应电流的方向为逆时针;
线圈中产生的感应电动势大小为;
分钟环内产生的焦耳热为。
15.解:由于 ,
则,
线圈内产生的感应电动势:,
闭合后,电路中电流,
根据右手定则判断电流方向由;
断开后,通过 的电量等于电容中储存的电量,开关闭合时,电容两端电压,
所以电容带电量:,
则通过 的电量等于。
答:闭合后,通过的电流大小为,方向由;
闭合一段时间后,再断开,断开后通过的电荷量为。
16.解:根据磁场大小随时间的变化规律为,可知,磁场在均匀增加,依据楞次定律,可知,穿过线圈垂直纸面向里的磁场增强,那么感应磁场垂直纸面向外,由右手螺旋定则,则有感应电流的方向逆时针方向;
根据法拉第电磁感应定律得:
而
且
及由闭合电路欧姆定律有:;
解得
安培力大小公式为:
解得:
对线框处于平衡状态,设拉力为,则有:
解得:
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