2.6涡流现象与电磁炉基础巩固（word 含答案）

2.6涡流现象与电磁炉基础巩固2021—2022学年高中物理沪教版（2019）选择性必修第二册
一、选择题（共15题）
1．下列家用电器利用电磁感应原理工作的是（　　）
A．电饭煲 B．电磁炉 C．电烙铁 D．热水器
2．如图所示是车站、机场等场所用于安全检查的安检门，“门框”内有线圈，线圈中通有变化的电流。如果金属物品通过安检门，金属中会被感应出涡流，涡流的磁场又反过来影响线圈中的电流，从而引起报警。下列关于安检的说法正确的是（　　）
A．安检门能检查出毒贩携带的毒品
B．安检门能检查出旅客携带的金属水果刀
C．安检门工作时，主要利用了电流的热效应原理
D．如果“门框”的线圈中通上恒定电流，安检门也能正常工作
3．涡流内检测技术是一项用来检测各种金属管道是否有破损的技术。下图是检测仪在管道内运动及其工作原理剖面示意图，当激励线圈中通以正弦交流电时，金属管道壁内会产生涡流，涡流磁场会影响检测线圈的电流。以下有关涡流内检测仪的说法正确的是（　　）
A．检测线圈消耗功率等于激励线圈输入功率
B．在管道内某处检测时，如果只增大激励线圈中交流电的频率，则检测线圈的电流强度不变
C．在管道内某处检测时，如果只增大激励线圈中交流电的频率，则检测仪消耗功率将变大
D．当检测仪从金属管道完好处进入到破损处检测时，管道壁中将产生更强的涡流
4．应用物理知识分析生活中的常见现象，可以使物理学习更加有趣和深入．某输电线路横穿公路时，要在地下埋线．为了保护输电线不至于被压坏，可预先铺设结实的过路钢管，再让输电线从钢管中穿过．电线穿过钢管的方案有两种（如图所示）：甲方案是铺设两根钢管，两条输电线分别从两根钢管中穿过；乙方案是只铺设一根钢管，两条输电线都从这一根钢管中穿过．如果输电导线输送的电流很强大，为了减小电磁感应带来的不利影响，那么以下说法正确的是（　　）
A．无论输送的电流是恒定电流还是交变电流，甲、乙两方案都是可行的
B．若输送的电流是交变电流，甲、乙两方案都是可行的
C．若输送的电流是交变电流，甲方案是不可行的，乙方案是可行的
D．若输送的电流是交变电流，甲方案是可行的，乙方案是不可行的
5．关于涡流，下列说法中错误的是（　　）
A．高频冶炼炉是利用涡流来熔化金属的装置
B．家用电磁炉上的锅体中的涡流是由恒定磁场产生的
C．金属探测器靠近金属物体时，金属内会产生涡流
D．变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成能减小涡流
6．法拉第于1822年12月开始，多次对“磁生电”进行实验研究，直到1831年8月29日，他把两个线圈绕在同一个软铁环上，如图所示，线圈A连接电池与开关，线圈B通过较长的导线闭合，并在其中一段水平直导线下方放置小磁针，开始时磁针静止。他发现，当开关合上瞬间，磁针偏转了一下。法拉第敏锐地意识到，寻找近10年的“磁生电”效应终于被发现了。对实验下列说法正确的是（　　）
A．法拉第是利用“电生磁”现象来判断感应电流的有无
B．开关闭合瞬间，小磁针的N极向纸外旋转一下，并随即复原
C．开关闭合后，小磁针的N极向纸内旋转一定角度，并保持不变
D．开关闭合后，铁芯中始终存在磁场和涡流
7．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
8．以下为教材中的四幅图，下列相关叙述错误的是（　　）
A．甲图是法拉第电磁感应实验，奥斯特发现了电流的磁效应，法拉第根据对称性思想，做了如上实验发现了磁生电的现象
B．乙图是真空治炼炉，当炉外线圈通入高频交流电时，线圈产生大量热量，从而冶炼金属
C．丙图是金属探测器。探测环中的发射线圈通以正弦式电流，附近的被测金属物中会产生涡流
D．丁图是电吉他中电拾音器的基本结构，金属弦被磁化，弦振动过程中线圈中会产生感应电流，从而使音箱发声。如果选用铜质弦，电吉他不能正常工作
9．固定电话机中的话筒工作时，用到的物理原理是（　　）
A．电流的热效应 B．电磁感应 C．涡流 D．电流的磁效应
10．利用所学物理知识，可以初步了解安检中常用的一种手持金属探测器的工作原理及相关问题．这种手持金属探测器工作时，因其内部的探测器线圈内通有一定频率（该频率可在固定的频率范围内调节）的正弦交变电流，产生迅速变化的磁场．如果该种探测器附近有金属物品，在金属物品中会感应出涡流，涡流的磁场反过来影响探测器线圈中的电流，引发探测器蜂鸣报警．金属物品中感应出的涡流越大对探测器线圈中的电流的影响越大，金属物品中感应出涡流的大小与正弦交变电流的频率以及被检测金属物品的尺寸和导电的性能有关．关于该种金属探测器，下列说法中正确的是
A．金属物品中产生的涡流的变化频率与探测器线圈中的交变电流的频率可能不同
B．当探测器中通有的交变电流频率不在工作频率范围内时，被检测金属物品中就不产生感应电流
C．探测器线圈中通低频率的正弦交变电流更容易检测出尺寸小、电阻率大的金属物品
D．该种金属探测器能检测有无金属物品，但不能准确区分金属的种类
11．电磁炉是利用电磁感应现象产生的涡流，使锅体发热从而加热食物的。下列说法中正确的是（　　）
A．锅体中的涡流是由恒定的磁场产生的 B．恒定磁场越强，电磁炉的加热效果越好
C．锅体中的涡流是由变化的磁场产生的 D．降低磁场变化的频率，可提高电磁炉的加热效果
12．动圈式话筒和磁带录音机都应用了电磁感应现象，图1是话筒原理图，图2是录音机的录音、放音原理图，由图可知不正确的是（　　）
A．话筒工作时磁铁不动线圈振动而产生感应电流
B．录音机放音时变化的磁场在静止的线圈里产生感应电流
C．录音机放音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场
D．录音机录音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场
13．下列关于教材中四幅插图的说法正确的是（　　）
A．图甲是通电导线周围存在磁场的实验。这一现象是物理学家法拉第通过实验首先发现
B．图乙是真空冶炼炉，当炉外线圈通入高频交流电时，线圈产生大量热量，从而冶炼金属
C．图丙是李辉用多用电表的欧姆挡测量变压器线圈的电阻刘伟手握线圈裸露的两端协助测量，李辉把表笔与线圈断开瞬间，刘伟觉得有电击说明欧姆挡内电池电动势很高
D．图丁是微安表的表头，在运输时要把两个接线柱连在一起，这是为了保护电表指针，利用了电磁阻尼原理
14．如图，关于电源和容器，下列说法正确的是（ ）
A．恒定直流、小铁锅 B．恒定直流、玻璃杯
C．变化的电流、玻璃杯 D．变化的电流、小铁锅
15．关于涡流，下列说法中错误是（ ）
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
二、填空题（共4题）
16．涡流有热效应，但没有磁效应。（______）
17．我们用作煮食的炉子有各种各样的款式，它们的工作原理各不相同。有以天然气、液化石油气等作燃料的，例如天然气炉；还有以直接用电热方式加热的，例如电饭锅，下面介绍的是以电磁感应原理生热的电磁炉。
如图所示是描述电磁炉工作原理的示意图．炉子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不断变化的，这个变化的磁场又会引起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，这些热能便起到加热物体的作用从而煮食。
电磁炉的特点是：电磁炉的效率比一般的炉子都高，热效率高达90%，炉面无明火，无烟无废气，电磁火力强劲，安全可靠。
因为电磁炉是以电磁感应产生电流，利用电流的热效应产生热量，所以不是所有的锅或器具都适用。对于锅的选择，方法很简单，只要锅底能被磁铁吸住的就能用。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、圆底铁锅、耐热玻璃锅、铝锅、铜锅等。
(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、耐热玻璃锅的原因是____________________________；电磁炉所用的锅不能用铝锅、铜锅的原因是______________________。
(3)在锅和电磁炉中间放一纸板，则电磁炉还能起到加热作用吗（___）？为什么（___）？
18．如图所示是用涡流金属探测器探究地下金属物的示意图，当探测到地下的金属物时，______（选填“金属物”或“探头”）中产生涡流。
19．（1）在“研究电磁感应现象”的实验中，首先要按图（甲）接线，以查明电流表指针的偏转方向与电流方向的关系；然后再按图（乙）将电流表与B连成一个闭合回路，将A与电池、滑动变阻器和开关串联成另一个闭合电路。在图（甲）中，当闭合S时，观察到电流表指针向左偏（不通电时指针停在正中央）在图（乙）中，
①将S闭合后，将螺线管A插入螺线管B的过程中，电流表的指针将___________（填“向左”“向右”或“不发生”，下同）偏转；
②螺线管A放在B中不动，电流表的指针将___________偏转；
③螺线管A放在B中不动，将滑动变阻器的滑动触片向右滑动时，电流表的指针将___________偏转；
④螺线管A放在B中不动，突然切断开关S时，电流表的指针将___________偏转。
（2）给金属块缠上线圈，线圈中通入反复变化的电流，金属块中产生如图1中虚线所示的感应电流，这样的电流称为___________，真空冶炼炉就是利用它产生的热量使金属熔化。变压器和镇流器的铁心通常用涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压制成，而不是用一整块铁制成，其原因是为了___________，减少铁心发热损失。
（3）如图2所示的交变电流的有效值I=___________A（其中每个周期的后半周期的图像为半个周期的正弦曲线）
三、综合题（共4题）
20．如图所示，线圈中的电流随时间变化时，导体中有感应电流吗？如果有，它的形状像什么？
21．如图所示，一狭长的铜片能绕O点在纸面平面内摆动，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。
22．麦克斯韦电磁理论认为：变化的磁场会在空间激发一种电场，这种电场与静电场不同，称为感生电场或涡旋电场．
在如图甲所示的半径为r的圆形导体环内，存在以圆环为边界竖直向上的匀强磁场，磁感应强度大小随时间的变化关系为B=kt （k＞0且为常量）．该变化的磁场会在空间产生圆形 的涡旋电场，如图乙所示，涡旋电场的电场线与导体环具有相同圆心的同心圆，同一电场线 上各点场强大小相同，方向沿切线．导体环中的自由电荷就会在感生电场的作用下做定向运动，产生感应电流，或者说导体中产生了感应电动势，涡旋电场力充当非静电力，其大小与涡旋电场的场强E关系满足F=Eq．
(1)根据法拉第电磁感应定律，推导导体环中产生的感 应电动势；
(2)在乙图中以圆心O为坐标原点，向右建立一维x 坐标轴，推导在x轴上各处电场强度的大小E与x之间的 函数表达式，在图中定性画出E-x图像；
(3)图丙为乙的俯视图，去掉导体环，在磁场圆形边 界上有M、N两点之间所夹的小圆弧恰为整个圆周 的1/6；将一个带电量为+q的带电小球沿着圆弧分别顺时针、逆时针从M移动到N，求涡旋电场力分别所做的功．在此基础上，对比涡旋 电场和静电场，说明涡旋电场中为什么不存在电势的概念．
23．在科技馆中常看到这样的表演：一根长1m左右的空心铝管竖直放置（图甲），把一枚磁性比较强的小圆柱形永磁体从铝管上端放入管口，圆柱直径略小于铝管的内径。根据一般经验，小圆柱自由下落1m左右的时间不会超过0.5s，但把小圆柱从上端放入管中后，过了许久它才从铝管下端落出。小圆柱在管内运动时，没有感觉到它跟铝管内壁发生摩擦，把小圆柱靠着铝管，也不见它们相互吸引。是什么原因使小圆柱在铝管中缓慢下落呢？如果换用一条有裂缝的铝管（图乙），圆柱在铝管中的下落就变快了。这又是为什么？
参考答案
1．B
2．B
3．C
4．C
5．B
6．A
7．C
8．B
9．B
10．D
11．C
12．C
13．D
14．D
15．B
16．错误
17．电流的磁效应（或电生磁） 电磁感应现象（或磁生电） 电流的热效应（或焦耳定律） 不能产生电磁感应现象 电阻率小，电热少，效率低 能起到加热作用 由于线圈产生的磁场能穿透纸板到达锅底，在锅底产生感应电流。
18．金属物
19．向右 不发生 向右 向左 涡流 减少涡流
20．
有，变化的电流产生变化的磁场，变化的磁场产生感生电场，使导体中的自由电子发生定向移动，产生感应电流，它的形状像水中的旋涡，所以把它叫作涡电流，简称涡流。
21．
没有开长缝的铜片绕O点在纸面内摆动时，由于磁场有圆形边界，通过铜片的磁通量会发生变化，在铜片内产生较大的涡流，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时，就可以把涡流限制在缝与缝之间的铜片上，较大地削弱了涡流，阻力随之减小，所以铜片就可以摆动较多的次数。
22．(1) ；(2) 当x＜r时： 当x≥r时： (3) 顺时针移动时 逆时针移动时: ，不存在电势的概念
23．
甲管是无缝铝管，小圆柱下落时，产生电磁感应，出现涡流，则阻力很大，阻碍磁体与导体间的相对运动；而有裂缝的乙铝管，则不会产生感应电流，不会有涡流，也不会受到阻力作用，则小球在其中做自由落体运动，所以小圆柱穿越甲管的时间比穿越乙管的时间长。