2021-2022学年高二下学期物理人教版（2019）选择性必修第二册2.3涡流、电磁阻尼和电磁驱动同步练习（word版含答案）

2.3涡流、电磁阻尼和电磁驱动
一、选择题
1．下列关于涡流的说法中正确的是(　　)
A．涡流跟平时常见的感应电流一样，都是因为穿过导体的磁通量变化而产生的
B．涡流不是感应电流，而是一种有别于感应电流的特殊电流
C．涡流有热效应，但没有磁效应
D．在硅钢中不能产生涡流
2.随着科技的不断发展，无线充电已经进入人们的视线，小到手表、手机，大到电脑、电动汽车的充电，都已经实现了从理论研发到实际应用的转化．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．关于电线充电，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
3．(多选)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携带者
B．这个安检门只能检查出金属物品携带者
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携带者
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
4．(多选)关于涡流，下列说法中正确是(　　)
A．真空冶炼炉是利用涡流来熔化金属的装置
B．家用电磁炉是利用涡流来加热食物的
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增大涡流
5．(多选)1824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，当圆盘在磁针的磁场中绕过圆盘中心的竖直轴旋转时，磁针也随着一起转动起来，但略有滞后．下列说法正确的是(　　)
A．圆盘上产生了感应电动势
B．圆盘内的涡电流产生的磁场导致磁针转动
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．圆盘中的自由电子随圆盘一起运动形成电流，此电流产生的磁场导致磁针转动
6．如图所示，上下开口、内壁光滑的铜管P和塑料管Q竖直放置．小磁块先后在两管中从相同高度处由静止释放，并落至底部．则小磁块(　　)
A．在P和Q中都做自由落体运动
B．在两个下落过程中的机械能都守恒
C．在P中的下落时间比在Q中的长
D．落至底部时在P中的速度比在Q中的大
7．一个半径为r、质量为m、电阻为R的金属圆环，用一根长为L的绝缘细绳悬挂于O点，离O点下方处有一宽度为、垂直纸面向里的匀强磁场区域，如图所示．现使圆环从与悬点O等高位置A处由静止释放(细绳张直，忽略空气阻力)，摆动过程中金属环所在平面始终垂直磁场，则在达到稳定摆动的整个过程中，金属环产生的热量是　　(　　)
A．mgL　　　　　　　　　 　B．mg
C．mg D．mg(L＋2r)
8．一位物理老师用一段铜导线和一块磁铁演奏一曲《菊花台》的视频惊艳网友，网友直呼“史上最牛物理老师”．他是这么做的：在一块木板上固定两颗螺丝钉，用一段铜导线缠绕在两颗螺丝钉之间，扩音器通过导线与两螺丝钉连接．将磁铁放在铜导线旁边，手指拨动铜导线，另一只手握着螺丝刀压着铜导线，并在铜导线上滑动，优美动听的乐曲就呈现出来了．根据上面所给的信息，你认为下面说法正确的是(　　)
A．手指拨动铜导线，铜导线的振动引起空气振动而发出声音
B．手指拨动铜导线，使铜导线切割磁感线产生感应电流，电流通过扩音器放大后发声
C．声音的音调变化是通过手指拨动铜导线力的大小来实现的
D．手指拨动铜导线，铜导线中产生直流电流
9．电磁炉热效率高达90%，炉面无明火，无烟无废气，“火力”强劲，安全可靠．图示是描述电磁炉工作原理的示意图，下列说法正确的是(　　)
A．当恒定电流通过线圈时，会产生恒定磁场，恒定磁场越强，电磁炉加热效果越好
B．电磁炉通电线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作
C．在锅和电磁炉中间放一纸板，则电磁炉不能起到加热作用
D．电磁炉的锅不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅，主要原因是这些材料的导热性能较差
10.(多选)低频电涡流传感器可用来测量自动化生产线上金属板的厚度．如图，在线圈L1中通以低频交流电，它周围会产生交变磁场，其正下方有一个与电表连接的线圈L2，金属板置于L1、L2之间．当线圈L1产生的变化磁场透过金属板，L2中会产生感应电流．由于金属板厚度不同，吸收电磁能量强弱不同，导致L2中感应电流的强弱不同，则(　　)
A．金属板吸收电磁能量，是由于穿过金属板的磁场发生变化，板中产生涡流
B．金属板越厚，涡流越弱
C．L2中产生的是直流电
D．L2中产生的是与L1中同频率的交流电
11．如图所示，矩形线圈放置在水平薄木板上，有一块马蹄形磁铁置于薄木板下(磁极间距略大于线圈宽度)，磁铁在线圈正下方自左向右匀速通过线圈时，线圈仍静止不动，那么线圈受到木板的摩擦力的方向是(　　)
A．先向左、后向右
B．先向左、后向右、再向左
C．一直向左
D．一直向右
12．(多选)高频焊接原理示意图如图所示，线圈通以高频交流电，金属工件的焊缝中就产生大量焦耳热，将焊缝熔化焊接，要使焊接处产生的热量较大可采用(　　)
A．增大交变电流的电压 B．增大交变电流的频率
C．增大焊接缝的接触电阻 D．减小焊接缝的接触电阻
13．(多选)关于下列物理现象的解释中恰当的是(　　)
　　
　　　　　　　A　　　　　　　　　　　　B
　　
　　　　　　　C　　　　　　　　　　　　D
14．(多选)如图所示，闭合金属环从光滑曲面上h高处滚下，又沿曲面的另一侧上升．设金属环的初速度为零，摩擦不计，曲面处在图中磁场中，则(　　)
A．若是匀强磁场，金属环滚上的高度小于h
B．若是匀强磁场，金属环滚上的高度等于h
C．若是非匀强磁场，金属环滚上的高度等于h
D．若是非匀强磁场，金属环滚上的高度小于h
15. 如图所示，一个铜质圆环，无初速度地自位置Ⅰ下落到位置Ⅱ，若圆环下落时其轴线与磁铁悬线重合，圆环面始终水平．位置Ⅰ与位置Ⅱ的高度差为h，则运动时间(　　)
A．等于　　　　　　　B．大于
C．小于 D．无法判定
16．如图所示，条形磁铁从高h处自由下落，中途穿过一个固定的空心线圈．开关S断开，条形磁铁至落地用时t1，落地时速度为v1；S闭合，条形磁铁至落地用时t2，落地时速度为v2，则它们的大小关系正确的是(　　)
A．t1>t2，v1>v2　　　　　 B．t1＝t2，v1＝v2
C．t1v2
17．(多选)位于光滑水平面的小车上放置一螺线管，一个比螺线管长的条形磁铁沿着螺线管的轴线水平穿过，如图所示，在此过程中(　　)
A．磁铁做匀速直线运动 B．磁铁做减速运动
C．小车向右做加速运动 D．小车先加速后减速
18．(多选)如图所示，通有恒定电流的螺线管竖直放置，一铜环R沿螺线管的轴线加速下落，在下落过程中，环面始终保持水平．铜环先后经过轴上1、2、3位置时的加速度分别为a1、a2、a3，位置2处于螺线管的中心，位置1、3与位置2等距，则(　　)
A．a1＜a2＝g B．a3＜a1＜g
C．a1＝a3＜a2 D．a3＜a1＜a2
19.如图所示，在O点正下方有一个具有理想边界的磁场，铜环在A点由静止释放向右摆至最高点B.不考虑空气阻力，则下列说法正确的是(　　)
A．A、B两点在同一水平线上 B．A点高于B点
C．A点低于B点 D．铜环将做等幅摆动
20.如图所示,一个闭合的矩形金属框abcd与一根绝缘轻杆B相连,轻杆上端O点是一个固定转轴,转轴与线框平面垂直,线框静止时恰位于蹄形磁铁的正中央,线框平面与磁感线垂直.现将线框从静止释放,在左右摆动过程中,线框受到磁场力的方向是(　　)
A.向左摆动的过程中,受力方向向左;向右摆动的过程中,受力方向向右
B.向左摆动的过程中,受力方向向右;向右摆动的过程中,受力方向向左
C.向左摆动的过程中,受力方向先向左后向右;向右摆动的过程中,受力方向先向右后向左
D.摆动过程中始终不受力
21.甲、乙两个完全相同的铜环可绕固定轴OO′旋转,当给以相同的初始角速度开始转动后,由于阻力,经相同的时间后停止;若将环置于磁感应强度B大小相同的匀强磁场中,甲环的转轴与磁场方向平行,乙环的转轴与磁场方向垂直,如图所示,当甲、乙两环同时以相同的角速度开始转动后,则下列判断正确的是(　　)
A.甲环先停 B.乙环先停
C.两环同时停下 D.无法判断两环停止的先后
22.(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,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时,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、塑料等多种材质的容器封口,但不适用于金属容器
23.著名物理学家弗曼曾设计过一个实验,如图所示.在一块绝缘板的中部安装一个线圈,线圈接有电源,板的四周有许多带负电的小球,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 B.圆盘将顺时针转动
C.圆盘不会转动 D.无法确定圆盘是否会动
24.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，转盘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.转动的角速度一定大于a盘的角速度
D.转动的角速度可能等于a盘的角速度
25.如图所示,一圆形闭合铜环由高处从静止开始下落,穿过一根竖直悬挂的条形磁铁(质量为m),铜环的中心轴线与条形磁铁的中轴始终保持重合,则悬挂磁铁的绳子中拉力F随时间t变化的图象可能是(　　)
二、计算题
26．如图所示，质量为m＝100 g的铝环，用细线悬挂起来，环中央距地面高度h＝0.8 m，有一质量为M＝200 g的小磁铁(长度可忽略)，以v0＝10 m/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为3.6 m，则磁铁与铝环发生相互作用时(小磁铁穿过铝环后的运动看做平抛运动)：
(1)铝环向哪边偏斜？
(2)若铝环在磁铁穿过后速度为v′＝2 m/s，在磁铁穿过铝环的整个过程中，环中产生了多少电能？(g＝10 m/s2)
27．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.
(1)螺线管A将向哪个方向运动？
(2)求全过程中整个电路所消耗的电能．
28．如图所示，在光滑的水平面上有一半径r＝10 cm、电阻R＝1 Ω、质量m＝1 kg的金属环，以速度v＝10 m/s向一有界匀强磁场滑去．匀强磁场方向垂直于纸面向里，B＝0.5 T．从环刚开始进入磁场算起，到刚好有一半进入磁场时圆环产生了32 J的电热，求：
(1)此时圆环中电流的瞬时功率．
(2)此时圆环运动的加速度．
参考答案
1．解析：选A。涡流本质上是感应电流，是自身构成的回路，在穿过导体的磁通量变化时产生的，故A正确，B错误；涡流既有热效应，又有磁效应，故C错误；硅钢电阻率大，产生的涡流较小，但仍能产生涡流，故D错误．
2.解析：选C。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，A选项错误；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，B选项错误；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，C选项正确；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，D选项错误．
3．解析：选BD。这个安检门是利用涡流工作的，因而只能检查出金属物品携带者，A错，B对；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携带者，C错；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，D对．
4．解析：选ABC。高频冶炼炉是用涡流来熔化金属对其进行冶炼的，炉内放入被冶炼的金属，线圈内通入高频交变电流，这时被冶炼的金属中产生涡流就能被熔化，故A正确；电磁炉利用高频电流在电磁炉内部线圈中产生磁场，当含铁质锅具放置炉面时，铁磁性锅体被磁化，在锅具底部产生交变的涡流来加热食物，故B正确；阻尼摆摆动时产生的涡流总是阻碍其运动，当金属板从磁场中穿过时，金属板板内感应出的涡流会对金属板的运动产生阻碍作用，故C正确；在整块导体内部发生电磁感应而产生感应电流的现象称为涡流现象，要损耗能量，不用整块的硅钢铁芯，其目的是为了减小涡流，故D错误．
5．解析：选AB。由于磁针位于圆盘的正上方，所以穿过圆盘的磁通量始终为零，故C错误；如果将圆盘看成由沿半径方向的“辐条”组成，则圆盘在转动过程中，“辐条”会切割磁感线产生感应电动势，在圆盘中产生涡电流，该涡电流产生的磁场导致磁针运动，故A、B正确；同时圆盘中的自由电子随圆盘一起转动形成电流，该电流对磁针没有作用力，D错误．
6．解析：选C。小磁块从铜管P中下落时，P中的磁通量发生变化，产生感应电流，给小磁块一个向上的磁场力，阻碍小磁块向下运动，因此小磁块在P中不是做自由落体运动，而塑料管Q中不会产生电磁感应现象，因此Q中小磁块做自由落体运动，A错误；P中磁场力对小磁块做负功，机械能不守恒，B错误；由于在P中小磁块下落的加速度小于g，而Q中小磁块做自由落体运动，因此从静止开始下落相同高度，在P中下落的时间比在Q中长，C正确；根据动能定理可知，小磁块落到底部时在P中的速度比在Q中的小，D错误．
7．解析：选C。线圈在进入磁场和离开磁场时，磁通量发生变化，产生感应电流，机械能减少，最后线圈在磁场下面摆动，机械能守恒．在整个过程中减少的机械能转变为焦耳热，在达到稳定摆动的整个过程中，金属环减少的机械能为mg，C正确．
8．解析：选B。手指拨动铜导线发声是由于铜导线切割磁感线产生感应电流，电流通过扩音器放大后发声，选项A错误，B正确；螺丝刀压着铜导线在铜导线上滑动，实质是改变铜导线切割磁感线的有效长度，从而改变感应电流，变化的电流通过导线传到扩音器中，便产生不同音调的声音，所以声音的音调变化不是通过手指拨动铜导线产生的，选项C错误；手指拨动铜导线，铜导线振动切割磁感线，根据法拉第电磁感应定律，铜导线中的感应电流大小、方向均改变，选项D错误．
9．解析：选B。电磁炉线圈中通以交变电流，产生交变磁场，锅体中的涡流是由变化的磁场产生的，A选项错误，B选项正确；在锅和电磁炉中间放一纸板，不会影响电磁炉的加热作用，C选项错误；陶瓷锅或耐热玻璃锅属于绝缘材料，不会产生涡流，D选项错误．
10.解析：选AD。当线圈L1产生的变化磁场透过金属板，板中产生涡流，从而吸收电磁能量，A选项正确；金属板越厚，产生的涡流越强，B选项错误；根据电磁感应原理，L2中产生的是与L1中同频率的交流电，C选项错误，D选项正确．
11．解析：选C。当磁铁在线圈正下方自左向右匀速通过线圈时，穿过线圈的磁通量发生变化，根据楞次定律判知，线圈与磁铁间先相互排斥后互相吸引，故线圈一直有向右运动的趋势，故线圈所受木板的摩擦力方向一直向左，故C正确，A、B、D错误．
12．解析：选ABC。增大交变电流的电压和交变电流的频率均可使电流的变化率增大，由E＝n知，感应电动势和涡流均增大，焊接处的发热功率增大，若增大焊接缝的接触电阻，则焊接处的电压、功率分配就越大，产生的热量就会越大，故A、B、C正确，D错误．
13．解析：选ABD。收音机通过互感原理，把广播电台的信号从一个线圈传送到另一个线圈，A选项正确；电磁炮工作时，利用安培力推动炮弹沿导轨加速运动，B选项正确；下雨天，云层带电，往往在屋顶安装避雷针，是导走静电，防止触电，不属于静电屏蔽，C选项错误；闭合线圈在磁场中运动会产生感应电流，从而出现安培阻力，微安表在运输时，用导线把微安表的“＋”“－”两个接线柱连在一起后晃动电表，表针晃动幅度很小，且会很快停下，这是因为闭合线圈在磁场中运动会产生感应电流，阻碍线圈的运动，属于电磁阻尼现象，D选项正确．
14．解析：选BD。若磁场为匀强磁场，穿过环的磁通量不变，不产生感应电流，即无机械能转化为电能，机械能守恒，故选项A错误，选项B正确；若磁场为非匀强磁场，环内要产生电能，机械能减少，故选项C错误，选项D正确．
15. 解析：选B.由于电磁阻尼作用，阻碍铜质圆环的下落，所以下落时间大于，故B项正确．
16．解析：选D。开关S断开时，线圈中无感应电流，对条形磁铁无阻碍作用，条形磁铁自由下落，故a＝g；当开关S闭合时，线圈中有感应电流，对条形磁铁有阻碍作用，故av2，选项D正确．
17．解析：选BC。本题为电磁驱动，可由楞次定律判断作用力的方向，再由牛顿第二定律判断运动情况．磁铁水平穿入螺线管时，管中将产生感应电流，由楞次定律的扩展含义知产生的相互作用力阻碍磁铁的运动．同理，磁铁穿出时，由楞次定律的扩展含义知产生的相互作用力阻碍磁铁的运动，故整个过程中，磁铁做减速运动，选项B是正确的．而对于小车上的螺线管来说，在此过程中，螺线管受到的安培力都是水平向右的，这个安培力使小车向右运动，且一直做加速运动，C正确．
18．解析：选ABD。圆环落入螺线管及从螺线管飞出时，环中感应电流所受安培力向上，故a1＜g，a3＜g，但经过3时速度较大，较大，所受安培力较大，故a3＜a1＜g.圆环经过位置2时，磁通量不变，不受安培力，a2＝g，故A、B、D正确．
19.解析：选B。铜环进出磁场时，产生感应电流，机械能要损耗，所以B点应该低于A点．
20.解析：选B。从阻碍相对运动的角度来看,由于磁通量的变化是由线框和磁场间做相对运动引起的,因此感应电流的磁场总是阻碍线框相对磁场的运动.要阻碍相对运动,磁场对线框因产生感应电流而产生的作用力——安培力一定和相对运动的方向相反,即线框向左摆动时受安培力方向向右,线框向右摆动时受安培力方向向左,所以选项B正确.
21.解析：选B。由于转动过程中穿过甲环的磁通量不变，穿过乙环的变化，所以甲环中不产生感应电流，乙环产生。乙环的机械能不断地转化为电能，最终转化为焦耳热散失掉，所以乙环先停下来，故B正确。
22.解析：选CD。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,A,B错误;减小内置线圈中所通电流的频率可降低封口过程中产生的热量,即控制温度,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,否则同样会被熔化,只能是玻璃、塑料等材质,D正确.
23.解析：选A。线圈接通电源瞬间,产生向上的磁场,向上增大的磁场产生顺时针方向的感生电场,因为小球带负电,小球受到的电场力与电场方向相反,则有逆时针方向的电场力,故圆盘将沿逆时针方向转动.A正确.
24.解析：选B。AB、由于磁场的方向向上，从上向下看，a盘逆时针转动，其半径切割磁感线，感应电流从中心流向边缘，b盘电流也是从中心流向边缘，根据左手定则，安培力顺时针方向，所以b盘将沿顺时针方向转动，故A错误，B正确；CD、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，故CD错误。
25.解析：选B。铜环闭合,铜环在下落过程中,穿过铜环的磁通量不断变化,铜环中产生感应电流;由楞次定律可知,感应电流总是阻碍磁体间的相对运动,当铜环在磁铁上方时,感应电流阻碍铜环靠近磁铁,给铜环一个向上的安培力,因此拉力大于重力;当铜环位于磁铁下方时,铜环要远离磁铁,感应电流阻碍铜环的远离对铜环施加一个向上的安培力,则拉力大于重力;当铜环处于磁铁中部时,磁通量不变,则没有感应电流,没有安培力,因此拉力等于重力,故ACD错误，B正确。
26．解析：(1)由楞次定律可知，当小磁铁向右运动时，铝环向右偏斜(阻碍相对运动)．
(2)由能量守恒可得：由磁铁穿过铝环后做平抛运动，设飞行的水平距离为x，根据h＝gt2，x＝vt可求出穿过后的速度v＝x· m/s＝9 m/s
E电＝Mv02－Mv2－mv′2＝1.7 J.
答案：(1)铝环向右偏斜　(2)1.7 J
27．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，
故mgh＝Mv＋mv＋E电
即E电＝mgh－Mv－mv.
答案：(1)向右运动　(2)mgh－Mv－mv
28．解析：(1)取金属环为研究对象，从刚进入磁场至一半进入磁场的过程中，由能量守恒定律可知，环减少的动能全部转化为电热能，设此时的速度为v1，则有
Q＝mv2－mv，又因为P＝＝，
由以上两式联立，代入数据解得P＝0.36 W.
(2)由楞次定律可知环此时受到的安培力方向向左，由牛顿第二定律得＝ma，
即a＝＝6×10－2 m/s2，方向向左．
答案：(1)0.36 W　(2)6×10－2 m/s2，方向向左