2.5涡流现象及其应用 自主提升过关练

2.5涡流现象及其应用 自主提升过关练（含解析）
一、选择题
1．电磁感应现象揭示了电与磁之间的内在联系，根据这一发现，发明了很多电器设备，下列电器设备中利用电磁感应原理工作的是（　　）
A．微波炉 B．电磁炉 C．充电宝 D．白炽灯
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．关于电磁感应现象，下列叙述正确的是（　　）
A．真空冶炼炉利用涡流来冶炼合金钢，优点是可以冶炼高质量的合金
B．手机无线充电原理是利用了电磁感应中的自感现象
C．交流感应电动机是利用电磁阻尼的原理工作的
D．磁电式仪表在运输过程中，用导线将正负两个接线柱相连，在震动颠簸中，线圈中产生感应电流，使指针偏角变大
4．关于物理学史以及原理，以下说法正确的是（　　）
A．涡流跟平时说的感应电流一样，都是由于穿过导体的磁通量的变化而产生
B．奥斯特心系“磁生电”，总结出了电磁感应定律
C．洛伦兹力始终不做功，所以动生电动势的产生与洛伦兹力无关
D．线圈的磁通量与线圈的匝数无关，线圈中产生的感应电动势也与线圈的匝数无关
5．下列物理情景不属于电磁阻尼应用的是（　　）
A．选用铝框做磁电式电表骨架
B． 在运输灵敏电流表时用导线把两接线柱连在一起
C． 魔术师将小圆柱形磁体从竖直放置的空心铝管上端管口放入表演失重魔术
D． 延时继电器控制高压电路开闭时
6．某手持式考试金属探测器如图所示，它能检查出考生违规携带的电子通讯储存设备。工作时，探测环中的发射线圈通以电流，附近的被测金属物中感应出电流，感应电流的磁场反过来影响探测器线圈中的电流，使探测器发出警报。则（　　）
A．探测环中的发射线圈通的是恒定电流
B．探测环中的发射线圈通的是交变电流
C．探测器与被测金属物相对静止时不能发出警报
D．违规携带的手机只有发出通讯信号时才会被探测到
7．如图所示，电磁炉是利用感应电流（涡流）的加热原理工作的．下列关于电磁炉的说法，正确的是（　　）
A．电磁炉面板采用陶瓷材料，发热部分为铁锅底部
B．电磁炉面板采用金属材料，通过面板发热加热锅内食品
C．电磁炉可用陶瓷器皿作为锅具对食品加热
D．改变电子线路的频率不能改变电磁炉的功率
8．下列四个图中，甲、丙图中为铝管，乙、丁图中为塑料管，甲、乙图中小磁铁竖直放置，丙、丁图中小磁铁水平放置，让小磁铁由静止释放，磁铁下落过程中不发生翻转，且不与铝管相碰，不计空气阻力，则小磁铁穿过铝管过程中加速度小于重力加速度的图有（　　）
A．甲、乙、丙、丁图 B．甲、丙、丁图
C．甲、丙图 D．甲图
9．某输电线路横穿公路时，要在地下埋线。为了保护输电线不被压坏，可预先铺设结实的过路钢管，再让输电线从钢管中穿过。输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。如果输电线输送的电流很大，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．无论输送的电流是恒定电流还是交变电流，甲乙两方案都是不可行的
C．若输送的电流是交变电流，甲方案不可行，乙方案可行
D．若输送的电流是恒定电流，甲方案不可行，乙方案可行
10．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
11．高速铁路列车通常使用磁力刹车系统。磁力刹车工作原理可简述如下：将磁铁的N极靠近一块正在以逆时针方向旋转的圆形铝盘，使磁感线垂直铝盘向内，铝盘随即减速，如图所示。图中磁铁左方铝盘的甲区域（虚线区域）朝磁铁方向运动，磁铁右方铝盘的乙区域（虚线区域）朝离开磁铁方向运动。下列有关铝盘刹车的说法正确的是（　　）
A．铝盘甲区域的感应电流产生垂直铝盘向里的磁场
B．铝盘乙区域的感应电流产生垂直铝盘向外的磁场
C．磁铁与甲、乙两区域的感应电流之间的作用力，都会使铝盘减速
D．若将实心铝盘换成布满小空洞的铝盘，则磁铁对空洞铝盘的作用力变大
12．如图所示，铝管竖直置于水平桌面上，小磁体从铝管正上方由静止开始下落，在磁体穿过铝管的过程中，磁体不与管壁接触，且无翻转，不计空气阻力。下列选项正确的是（　　）
A．铝管中将产生竖直方向的感应电流
B．磁体重力势能减少量和动能增加量的差值等于产生的内能
C．磁体加速向下运动时处于失重状态，因此铝管对桌面的压力将逐渐减小
D．若将铝管换成塑料管，磁体在管中运动时，管对桌面的压力等于铝管和磁体的重力之和
13．下列对变压器和电动机中的涡流认识正确的是（）
A．涡流会使铁芯温度升高，危及线圈绝缘材料的寿命
B．涡流发热要损耗额外的能量
C．可以将变压器和电动机的铁芯用相互绝缘的很薄的硅钢片叠压而成，这样可以减小铁芯中的感应电动势
D．涡流产生于变压器和电动机的线圈中，对原电流起阻碍作用
14．下列四种器件中，工作时主要利用了电磁感应的是（ ）
A．回旋加速器
B．电磁炉
C．质谱仪
D．日光灯
15．下列说法正确的是（　　）
A．楞次定律告诉我们，感应电流的“效果”总是要反抗引起感应电流的“原因”
B．汽车上用的感应电动机是利用电磁驱动原理制成的
C．探测器探测到金属物是因为金属物中产生了涡流
D．变压器的铁芯利用薄硅钢片叠加而成是为了增大涡流
二、解答题
16．在如图甲所示的半径为r的竖直圆柱形区域内，存在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）．
（1）将一由细导线构成的半径为r、电阻为R0的导体圆环水平固定在上述磁场中，并使圆环中心与磁场区域的中心重合．求在T时间内导体圆环产生的焦耳热．
（2）上述导体圆环之所以会产生电流是因为变化的磁场会在空间激发涡旋电场，该涡旋电场趋使导体内的自由电荷定向移动，形成电流．如图乙所示，变化的磁场产生的涡旋电场存在于磁场内外的广阔空间中，其电场线是在水平面内的一系列沿顺时针方向的同心圆（从上向下看），圆心与磁场区域的中心重合．在半径为r的圆周上，涡旋电场的电场强度大小处处相等，并且可以用计算，其中e为由于磁场变化在半径为r的导体圆环中产生的感生电动势．如图丙所示，在磁场区域的水平面内固定一个内壁光滑的绝缘环形真空细管道，其内环半径为r，管道中心与磁场区域的中心重合．由于细管道半径远远小于r，因此细管道内各处电场强度大小可视为相等的．某时刻，将管道内电荷量为q的带正电小球由静止释放（小球的直径略小于真空细管道的直径），小球受到切向的涡旋电场力的作用而运动，该力将改变小球速度的大小．该涡旋电场力与电场强度的关系和静电力与电场强度的关系相同．假设小球在运动过程中其电荷量保持不变，忽略小球受到的重力、小球运动时激发的磁场以及相对论效应．
①若小球由静止经过一段时间加速，获得动能Em，求小球在这段时间内在真空细管道内运动的圈数；
②若在真空细管道内部空间加有方向竖直向上的恒定匀强磁场，小球开始运动后经过时间t0，小球与环形真空细管道之间恰好没有作用力，求在真空细管道内部所加磁场的磁感应强度的大小．
17．强大的涡电流在金属内流动时，会释放大量的热能。工业上利用这种热效应，制成高频电磁感应电炉来冶炼金属，其结构原理图如图所示。请分析它的工作原理。
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参考答案
1．B
【解析】
【详解】
A．微波炉的工作原理是微波与水分子共振加热，A错误
B．电磁炉是利用电磁感应原理使金属锅产生涡流，涡流的热效应从而加热事物，B正确；
C．充电宝是可充电的电源，一般用锂离子电池，C错误；
D．白炽灯工作原理是电流的热效应，D错误。
故选B。
2．B
【解析】
A．安检门利用涡流探测人身上携带的金属物品原理是：线圈中交变电流产生交变的磁场，会在金属物品产生交变的感应电流，而金属物品中感应电流产生的交变磁场会在线圈中产生感应电流，引起线圈中交变电流发生变化，从而被探测到。则安检门不能检查出毒贩携带的毒品，故A错误；
B．安检门能检查出旅客携带的金属水果刀，故B正确；
C．安检门工作时，主要利用了电磁感应原理，也采用电流的磁效应，故C错误；
D．根据工作原理可知，如果“门框”的线圈中通上恒定电流，安检门不能正常工作，故D错误。
故选B。
3．A
【解析】
A．真空冶炼炉是线圈中的电流做周期性变化，在冶炼炉中产生涡流，从而产生大量的热量使金属熔化，优点是整个能在真空中进行，能防止空气中的杂质进入金属，可以冶炼高质量的合金，故A正确；
B．自感现象是由于导体本身的电流发生变化而产生的电磁感应现象叫做自感现象。而手机无线充电中，在充电板和手机上分别有两个线圈，当充电板的线圈接通电源后，就给充电板上的线圈加上交流电，会产生一个不断变化的磁场，当把手机放在充电板上时，手机内的线圈就能感受到磁场的变化从而产生感应电流，然后再把电流转化成直流电给手机进行充电，故B错误；
C．交流感应电动机是利用电磁驱动使得线圈转动，故C错误；
D．磁电式仪表在运输过程中，用导线将正负两个接线柱相连，是为了让内部产生感应电流从而阻碍指针的偏转，故D错误。
故选A。
4．A
【解析】
A．涡流跟平时说的感应电流一样，都是由于穿过导体的磁通量的变化而产生，选项A正确；
B．法拉第心系“磁生电”，通过近十年的艰苦探索终于发现了“磁生电”的条件。故B错误。
C．因导体运动而产生的感应电动势称为动生电动势，导体中的自由电荷随导体在磁场中运动，受到洛伦兹力，而向导体一端移动，动生电动势是洛伦兹力对导体中自由电荷做功而引起的，选项C错误；
D．线圈的磁通量与线圈的匝数无关，线圈中产生的感应电动势也与线圈的匝数有关，选项D错误。
故选A。
5．D
【解析】
A．常用铝框做骨架，当线圈在磁场转动时，导致铝矿的磁通量变化，从而产生感应电流，出现安培阻力，使其很快停止摆动,属于电磁阻尼现象。故A选项不符合题意。
B．运输过程中的震动颠簸,可能会损坏指针、线圈、游丝,短路后,产生感应电流,据楞次定律,产生电磁阻尼,减轻指针、线圈、游丝的摆动，属于电磁阻尼现象，故B选项不符合题意。
C．磁铁在下落时，导致铝管内的磁通量在变化，从而产生感应电流，会产生安培力进而阻碍磁铁的下落，属于电磁阻尼现象,故C选项不符合题意。
D．电磁铁原理是用低压控制电路控制高压工作电路，属于电流磁效应现象,则D选项符合题意。
故选D。
6．B
【解析】
探测环中的发射线圈通的是交变电流，违规携带的物品只要是金属就会被探测到，从而即可一一求解。
【详解】
AB．附近的被测金属物中感应出电流，则探测环中的发射线圈通的应是交变电流，选项A错误，B正确；
C．因为探测环中的发射线圈通的是交变电流，被测金属物中的磁通量也是变化的，所以探测器与被测金属物相对静止时也能发出警报，选项C错误；
D．违规携带的物品只要是金属就会被探测到，选项D 错误。
故选B。
7．A
【解析】
【详解】
AB．电磁炉的上表面如果用金属材料制成，使用电磁炉时，上表面材料发生电磁感应要损失电能，电磁炉上表面要用绝缘材料制作，发热部分为铁锅底部，故A正确，B错误；
C．电磁炉产生变化的电磁场，导致加热锅底出现涡流，从而产生热量，所以电磁炉不能用陶瓷器皿作为锅具对食品加热，故C错误；
D．锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关，可通过改变电子线路的频率来改变电磁炉的功率，故D错误。
故选A。
8．C
【解析】
甲、丙图中磁铁在下落过程中，均会在铝管中产生涡流，阻碍磁铁向下运动，因此磁铁下落过程中加速度均小于重力加速度；乙、丁图中为塑料管，则磁铁下落过程中不会产生涡流，则磁铁不受阻碍作用，加速度为重力加速度。
故选C。
9．C
【解析】
1.若甲图通交流电，由于正弦变化的电场产生余弦变化的磁场，而余弦变化的磁场又产生正弦变化的电场，则每根钢管中都产生涡旋电流；导致能源损耗较大。
2.若乙图通交流电，由于两根导线一根是火线，一根是零线，它们的电流方向是相反的。故相互排斥。但工程上可以将其在一根管内做好绝缘隔离。问题在于由交流电产生的涡旋电流：由于两根导线方向相反，所以如果它们相互足够靠近，则它们在周围的每一点上产生大小几乎相等，方向相反的感应电流，这样能使涡旋电流强度减弱到很小；
3.若甲乙两图通恒定电流，则都产生恒定的磁场，恒定的磁场不产生电场。因此不产生涡流。没有能量损耗；
因此C正确，ABD错误。
故选C。
10．C
【解析】
【详解】
A．真空治炼炉外中的线圈中通有高频交流电，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，使得金属到达很高的温度从而熔化，利用了电磁应的原理，A正确，不符合题意；
B．安检门利用涡流探测人身上携带的金属物品，原理是：线圈中交变电流产生的磁场，会在金属物品中产生变化的感应电活而金属物品中感应电流产生的交变磁场会在线圈中产生感应电流，引起线图中交变电流发生变化，从而被探测到，即利用了电磁感应的原理来工作，B正确，不符合题意；
C．放在磁场中的玻璃皿内有导电液体，其中心放一圆柱形电极，边缘内型放一环形电极，从而使得圆柱形电极与边缘形成电流，电流在磁场中受到安培力的作用而发生转动，不是利用电磁感应的原理，C错误，符合题意；
D．用一蹄形磁铁按近正在旋转的铜盘，铜盘内部将会产生涡流，从而会很快静止下来，利用了电磁感应的原理，D正确，不符合题意。
故选C。
11．C
【解析】
【详解】
A．铝盘甲区域中的磁通量增大，由楞次定律可知，甲区域感应电流方向为逆时针方向，则此感应电流的磁场方向垂直纸面向外，故A错误；
B．铝盘乙区域中的磁通量减小，由楞次定律可知，乙区域感应电流方向为顺时针方向，则此感应电流的磁场方向垂直纸面向里，故B错误；
C．由“来拒去留”可知，磁铁与感应电流之间有相互阻碍的作用力，则会使铝盘减速，故C正确；
D．若将实心铝盘换成布满小空洞的铝盘，这样会导致涡流产生的磁场减弱，则磁铁对空洞铝盘所产生的减速效果明显低于实心铝盘，故D错误。
故选C。
12．B
【解析】
【分析】
【详解】
A. 铝管中将产生水平方向的感应电流，A错误；
B. 根据能量守恒定律，磁体的机械能减少，管的内能增加，增加的内能等于磁体减少的机械能，所以，磁体重力势能减少量和动能增加量的差值等于产生的内能，B正确；
C. 磁体加速向下运动时受到的磁场力向上，且逐渐增大，根据牛顿第三定律，铝管受到的磁场力向下逐渐增大，因此铝管对桌面的压力将逐渐增大，C错误；
D. 若将铝管换成塑料管，磁体在管中运动时，不产生感应电流，磁体与管无作用力，管对桌面的压力等于铝管的重力，D错误。
故选B。
13．AB
【解析】
【详解】
电动机、变压器的线圈都绕在铁芯上，工作时，线圈中流过变化的电流，在铁芯中产生涡流，使铁芯发热，浪费能量，热量过高，损害电器，所以选项A、B正确，D错误；变压器和电动机的铁芯用相互绝缘的很薄的硅钢片叠成，这样做的目的是增大铁芯的电阻，阻断涡流回路，减小涡流，提高效率，感应电动势的大小由线圈中的电流的变化率决定，选项C错误.
故选AB
14．BD
【解析】
【分析】
【详解】
A．回旋加速器利用磁场使带电粒子旋转，电场使粒子加速，A错误；
B．电磁炉是利用电磁感应原理产生涡流，将电能最终转化成内能，B正确；
C．质谱仪是利用电场加速，磁场使粒子偏转，不是电磁感应现象，C错误；
D．日光灯利用自感现象启动，而自感现象是特殊的电磁感应现象，D正确。
故选BD。
15．ABC
【解析】
【分析】
【详解】
A．楞次定律告诉我们，感应电流的“效果”总是要反抗引起感应电流的“原因”，故A正确；
B．汽车上用的感应电动机是利用电磁驱动原理制成的，故B正确；
C．探测器探测到金属物是因为线圈产生变化的磁场，使金属物中产生了涡流，故C正确；
D．变压器的铁芯利用薄硅钢片叠加而成是为了增大电阻，减小涡流，故D错误。
故选ABC。
16．（1）（2）①；②
【解析】
【详解】
试题分析：（1）导体圆环内的磁通量发生变化，将产生感生电动势，根据法拉第电磁感应定律，感生电动势为：
导体圆环内感生电流为：
在T时间内导体圆环产生的焦耳热为：Q=I2R0T
解得：
（2）①根据题意可知，磁场变化将在真空管道处产生涡旋电场，该电场的电场强度为：
小球在该电场中受到电场力的作用，电场力的大小为：
电场力的方向与真空管道相切，即与速度方向始终相同，小球将会被加速，动能变大．设小球由静止到其动能为Em的过程中，小球运动的路程为s，
根据动能定理有：Fs=Em
小球运动的圈数为：
解得：
②小球的切向加速度大小为：
由于小球沿速度方向受到大小恒定的电场力，所以经过时间t0，小球的速度大小v满足v=at0
小球沿管道做圆周运动，因为小球与管道之间没有相互作用力，所以，小球受到的洛伦兹力提供小球的向心力，设所加磁场的磁感应强度为B0，
则有：
解得：
考点：法拉第电磁感应定律、闭合电路欧姆定律与焦耳定律
【名师点睛】考查电磁学与力学综合运用的内容，掌握法拉第电磁感应定律、闭合电路欧姆定律与焦耳定律的应用，理解动能定理及牛顿运动定律，注意电场强度与电动势的符号区别，及用计算出其电场强度是解题的突破口．
17．见解析
【解析】
【详解】
使用高频电磁感应电炉冶炼金属时，在炉外的线圈中通入高频交变电流，从而产生交变磁场，交变磁场进而使炉内的金属中产生涡流，涡流产生的热量最终使金属熔化。
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