2.5涡流现象及其应用 同步练习（Word版含解析）

粤教版（2019）选择性必修二 2.5 涡流现象及其应用
一、单选题
1．如图所示，用铜线缠绕成线圈通上合适的电流，就可以隔空对金属进行加热了，把螺丝刀放进线圈，一会就会烧红了。下列说法正确的是（　　）
A．线圈中通入的是恒定电流 B．线圈中通入的是交变电流
C．塑料棒放进线圈里也可以进行隔空加热 D．线圈中的电流产生热对物体进行隔空加热
2．下列所述不属于涡流现象的是（　　）
A．真空冶炼炉利用涡流产生的热量使金属熔化
B．利用相互绝缘硅钢片叠成的铁芯代替整块硅钢铁芯是为了减少变压器中的涡流
C．金属探测器利用涡流工作
D．超高压带电作业的工人穿戴包含金属丝织物制成的工作服是为了减少涡流
3．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
4．关于课本中下列图片的解释错误的是（　　）
A．真空冶炼炉利用涡流通过金属产生的热量使金属融化
B．使用电磁炉加热食物时使用陶瓷锅也可以
C．用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯可以减小变压器铁芯中的涡流
D．用来探测金属壳的地雷或有较大金属零件的地雷的探雷器是利用涡流工作的
5．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
6．电磁炉是常用的电器，如图所示，关于电磁炉，以下说法中正确的是（　　）
A．电磁炉是利用变化的磁场在铁质锅底产生涡流，进而对锅内食物加热
B．电磁炉是利用变化的磁场在灶台台面产生涡流，利用热传导对锅内食物加热
C．电磁炉是利用变化的磁场在食物中产生涡流对食物加热的
D．在锅和电磁炉中间放一纸板，则电磁炉将不能起到加热作用
7．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增大涡流
8．学完电磁感应涡流的知识后，某个同学回家制作了一个简易加热器，如图所示，在线圈上端放置一盛有冷水的金属杯，现接通交流电源，过了几分钟，杯内的水沸腾起来。若要缩短上述加热时间，下列措施可行的有（　　）
A．提高交流电源的频率
B．减少线圈的匝数
C．将金属杯换为陶瓷杯
D．将交流电源换成电动势更大的直流电源
9．安全生活离不开安检， 近到地铁，远到火车和飞机，都会感受安检的存在。针对行李的安检机工作原理与医院里面用的 CT 成像原理很相似。当行李箱通过安检机的时候，就会在显示屏上显示出不同物体的轮廓，然后再根据颜色的不同，就能进一步判断物体大概属于哪一类。安检门主要是用来检测人身上是否携带了金属类管制利器的，它本质上是一种金 属检测仪，根据金属的种类和大小，金属检测仪可以大致给出报警的金属所在的位置 和大小， 且不会对身体健康造成影响。现在国内外某些机场已经配备了人体扫描仪，人体扫描仪能对人体实行比安检门 更详细的检查。人体扫描仪利用了一种毫米波段的电磁波，其频率比可见光还低，辐 射强度极小，成为无害安检的理想波段。相比于金属探测仪，人体扫描仪能识别各种 金属和非金属，因此，一般配备了人体扫描仪的机场不会再额外的安装检测金属的安检门。
根据以上信息可知，下列说法中正确的是（　　）
A．安检机是利用γ射线的穿透作用来工作的
B．安检门的金属检测仪是利用静电感应原理来探测金属的
C．人体扫描仪的图像可能是利用了红外线反射所成的像
D．人体扫描仪可能是利用某种电磁波的穿透作用来工作的
10．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。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。以下说法正确的是（　　）
A．最好使用铝锅或铜锅
B．最好使用平底不锈钢锅或铁锅
C．最好使用陶瓷锅或耐热玻璃锅
D．在电磁炉与铁锅之间放一层白纸后无法加热
11．下列磁场垂直加在金属圆盘上不能产生涡流的是（　　）
A． B．
C． D．
12．人造卫星绕地球运行时轨道各处的地磁场强弱有微小差异。由于地磁场的影响，下列关于金属外壳的人造地球卫星运行时不正确的说法是（ ）
A．卫星外壳中有微弱的感应电流
B．卫星运行的轨道半径会越来越小
C．卫星的机械能会越来越小
D．卫星运行速度会越来越小
13．如图所示，在线圈上端放置一盛有冷水的金属杯，现接通交流电源，过了几分钟，杯内的水沸腾起来，若要缩短上述加热时间，下列措施可行的有（　　）
A．增加线圈的匝数 B．降低交流电源的频率
C．将金属杯换为瓷杯 D．取走线圈中的铁芯
14．下图所示，闭合小金属球从高h处的光滑曲面上端无初速度滚下，又沿曲面的另一侧上升，则下列说法正确的是（　　）
A．若是匀强磁场，环在左侧滚上的高度小于h
B．若是匀强磁场，环在左侧滚上的高度等于h
C．若是非匀强磁场，环在左侧滚上的高度等于h
D．若是非匀强磁场，环在左侧滚上的高度大于h
15．如图，真空冶炼炉、动圈式扬声器和磁电式电流表都有导线绕制的线圈，关于这三种器件的说法正确的是（　　）
A．真空冶炼炉线圈中应通较大的恒定电流，才能使炉中金属容易熔化
B．动圈式扬声器是利用通电线圈受安培力进行工作的
C．磁电式电流表在线圈转动的范围内，各处的磁场都是匀强磁场
D．动圈式扬声器和磁电式电流表都是根据电磁感应原理进行工作的
二、填空题
16．涡流大小的决定因素：磁场变化越______（越______），导体的横截面积S越______，导体材料的电阻率越______，形成的涡流就越大。
17．判断下列说法的正误。
（1）只要磁场变化，即使没有电路，在空间也将产生感生电场。( )
（2）处于变化磁场中的导体，其内部自由电荷定向移动，是由于受到感生电场的作用。( )
（3）涡流跟其他感应电流一样，都是因为穿过导体的磁通量变化而产生的。( )
（4）导体中有涡流时，导体没有和其他元件组成闭合回路，故导体不会发热。( )
（5）电磁阻尼和电磁驱动均遵循楞次定律。( )
（6）电磁阻尼发生的过程，存在机械能向内能的转化。( )
（7）电磁驱动中有感应电流产生，电磁阻尼中没有感应电流产生。( )
18．涡流有热效应，但没有磁效应。( )
19．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。
三、解答题
20．电磁炉专用平底锅的锅底和锅壁均由耐高温绝缘材料制成。起加热作用的是安在锅底的一系列半径不同的同心导电环，如图所示（图中没有画出所有的圆环）。导电环所用的材料每米的电阻，从中心向外第n个同心圆环的半径为（n为正整数且），已知。当电磁炉开启后，能产生垂直于锅底方向的变化磁场，已知该磁场的磁感应强度B的变化率为。忽略同心导电圆环感应电流之间的相互影响，不计其他电磁辐射等损失。（取）
（1）写出第1个同心圆环中感应电动势e的瞬时表达式，并求其电功率；
（2）麦克斯韦认为，磁场变化时会在空间激发出感生电场（也称为涡旋电场），上述各环中的感应电流就是电子在感生电场的作用下定向移动形成的。设某段时间内，磁场垂直纸面向里增强，试分析此过程中感生电场方向，并简述判断理由；
（3）所有导电圆环的总功率P是多大？
21．共享单车已经走进人们的日常生活，由于受季节变化、天气状况等因素的影响，有些零件容易损坏。如图是利用高频交变电流焊接自行车零件的原理示意图，其中A是通高频交流电的线圈，B是自行车的零件。a是待焊接的接口，接口两端接触，当A中通有交流电时，B中会产生感应电动势，使得接口处金属熔化而焊接起来。试回答：
（1）为什么在其他条件不变的情况下，交流电频率越高，焊接越快？
（2）为什么焊接过程中，接口a处已熔化而零件的其他部分并不是很热？
22．如图为电磁炉，是采用磁场感应涡流原理，它利用高频的电流通过环形线圈，从而产生无数封闭磁感线，当磁感线通过导磁(如：铁质锅)的底部，而底部可看做由无数个导体圆环构成，当穿过圆环的磁通量发生变化时，圆环上就产生感应电流，即小涡流(一种交变电流，家用电磁炉使用的是15～30 kHz的高频电流)．它和普通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）为什么锅体必须是导磁性材料？
（2）如图所示为小天鹅电磁炉的结构示意图．电磁灶是根据涡流原理给锅加热的，调查研究电磁灶与一般烹饪灶具比较具有哪些优点？(写出两条即可)
23．利用高频交变电流焊接自行车零件的原理如图所示。图中M是高频交流线圈，N是自行车零件，a是待焊接口。当线M中通入高频电流时，把a的两端相接触，接口便会被自动焊接起来。这是为什么？
24．涡流探伤是工业上常用的技术之一，该技术通过励磁线圈靠近导体，使导电构件中产生涡电流，再借助探测线圈测定涡电流的变化量，从而获得构件缺陷的有关信息。参考如图所示的示意图，解释涡流探伤技术是如何发现导体中的缺陷的。
试卷第1页，共3页
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参考答案：
1．B
【详解】
A．当线圈中通入恒定电流时，就会产生稳定的磁场，稳定的磁场在线圈中的金属中就不会产生感应电流，这个感应电流叫涡流，金属就不会产生热，A错误；
B．当线圈中通入的是交变电流时，线圈就会产生交变磁场，交变磁场在线圈中的金属中就会感应出涡流，金属就会产生热，B正确；
C．塑料棒是绝缘体，放进线圈里不会感应出涡流，不会产生热，也就不可以进行隔空加热，C错误；
D．线圈中的电流产生变化的磁场，变化的磁场在线圈中的金属中感应出涡流，涡流在金属中产生热，这是对金属进行隔空加热的原理，D错误。
故选B。
2．D
【详解】
A．真空冶炼炉利用涡流产生的热量使金属熔化，是涡流现象，A正确；
B．利用相互绝缘硅钢片叠成的铁芯代替整块硅钢铁芯是为了减少变压器中的涡流，是涡流现象，B正确；
C．金属探测器利用涡流工作，是涡流现象，C正确；
D．超高压带电作业的工人穿戴包含金属丝织物制成的工作服是静电屏蔽，D错误。
故选D。
3．B
【详解】
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。
4．B
【详解】
A．真空冶炼炉利用涡流通过金属产生的热量使金属融化，故A正确；
B．使用电磁炉加热食物时，陶瓷锅内没有自由电子，不能产生涡流，所以不可以，故B错误；
C．用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯可以减小变压器铁芯中的涡流，故C正确；
D．用来探测金属壳的地雷或有较大金属零件的地雷的探雷器是利用涡流工作的，故D正确。
本题选错误项，故选B。
5．B
【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。
6．A
【详解】
电磁灶是利用变化的磁场产生涡流，使含铁质锅底迅速升温，进而对锅内食物加热的，故涡流是由于锅底中的电磁感应产生的；A正确，BCD错误。
故选A。
7．A
【详解】
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错误。
故选A。
8．A
【详解】
AB．由题意可知，本题中是涡流现象的应用，即采用线圈产生的磁场使金属杯产生感应电流，从而进行加热的，则由法拉第电磁感应定律可知，增加线圈的匝数、提高交流电的频率均可以提高发热功率，则可以缩短加热时间，故B错误，A正确；
C．将杯子换作瓷杯不会产生涡流，则无法加热水，故C错误；
D．将交流电源换成电动势更大的直流电源不会产生涡流，故D错误。
故选A。
9．C
【详解】
A．安检机是利用X射线的穿透作用来工作的，选项A错误；
B．安检门的金属检测仪是利用电磁感应原理来探测金属的，选项B错误；
CD．人体扫描仪利用了一种毫米波段的电磁波，其频率比可见光还低，可知人体扫描仪的图像可能是利用了红外线反射所成的像，选项C正确，D错误；
故选C。
10．B
【详解】
AB．铝和铜不是导磁材料，所以电磁炉不能用这两种材料制作的锅具，最好使用平底不锈钢锅或铁锅，选项A错误，B正确；
C．因为陶瓷、玻璃在一般情况下不导磁也不导电，在磁场中不会产生感应电流，则不能使用陶瓷锅或耐热玻璃锅，选项C错误；
D．因为磁感线能穿过白纸，铁质锅具有足够的磁感线穿过，故电磁炉能正常工作，选项D错误。
故选B。
11．A
【详解】
根据电磁感应原理，只要是变化的磁场垂直加在金属圆盘上都能产生涡流，则不能产生涡流的是A。
故选A。
12．D
【详解】
A．人造卫星围绕地球运动时在金属外壳组成的小部分回路中磁通量变化形成了感应电流及涡流，实现机械能转化为电能，A正确，不符合题意；
BC．因产生感应电流而发热会使机械能减小，运动速度变小做向心运动，后又因重力做正功，速度变大，直到又达到稳定运行状态，半径变小，BC正确，不符合题意；
D．因产生感应电流而发热会使机械能减小，运动速度变小做向心运动，后又因重力做正功，速度变大，D错误，符合题意。
故选D。
13．A
【详解】
A．根据法拉第电磁感应定律
增加线圈的匝数n，可以增大感应电动势，使线圈产生的磁场增强，可以缩短加热时间，A正确；
BCD．根据法拉第电磁感应定律
降低交流电源的频率和取走线圈中的铁芯，感应电动势就减小，使线圈产生的磁场减弱，加热时间延长。将金属杯换为瓷杯，瓷杯是绝缘体无法形成涡流，故不能加热，BCD错误。
故选A。
14．B
【详解】
AB．若是匀强磁场，金属球在曲面上滚动不会产生电磁感应现象，无机械能损失，故环在左侧滚上的高度等于h，A错误，B正确；
CD．若是非匀强磁场，金属球在曲面上滚动会产生涡流，有焦耳热，机械能减小，故环在左侧滚上的高度小于h，CD错误。
故选B。
15．B
【详解】
A．真空冶炼炉利用的是涡流原理，因此线圈中应通交变电流，选项A错误；
B．动圈式扬声器是利用通电线圈受安培力进行工作的，选项B正确；
C．磁电式电流表蹄形磁铁和铁芯间的磁场是均匀辐射分布的，特点是大小相等，方向不同，因此不是匀强磁场，选项C错误；
D．动圈式扬声器和磁电式电流表都是利用通电线圈受安培力进行工作的，选项D错误。
故选B。
16． 快 大 大 小
【详解】
略
17． 正确 正确 正确 错误 正确 正确 错误
【详解】
略
18．错误
【详解】
涡流既有热效应，也有磁效应。故此说法错误。
19．金属物
【详解】
[1]探头中有磁铁，当探头靠近金属物时，金属物中产生涡流。
20．（1），；（2）感生电场沿逆时针方向；（3）
【详解】
（1）由法拉第电磁感应定律可得
第1个同心圆环的电阻
感应电动势的有效值
则功率
（2）某段时间内，磁场垂直纸面向里增强，根据楞次定律可知，感应电流方向沿逆时针方向，所以电子沿顺时针方向运动，电子受到的感生电场力沿顺时针方向，则感生电场沿逆时针方向。
（3）第n个圆环中感应电动势最大值
代入数据解得
第n个圆环的电阻为
第n个圆环的电流最大值为
第n个圆环的功率为
则7个导电圆环的总功率
21．（1）见解析；（2）见解析
【详解】
（1）高频焊接利用高频交变电流产生高频交变磁场，在待焊接的金属工件中产生感应电流，根据法拉第电磁感应定律可知，电流变化的频率越高，磁通量变化率越大，产生的感应电动势越大，感应电流越大，接口处产生的热量越多，温度升高得越快，焊接越快。
（2）接口处横截面积小，电阻大，电流相同时，接口处热功率大，相同时间内温度升高得多，其他部分并不是很热。
22．见解析
【详解】
（1）由于非导磁性材料不能有效汇聚磁感线，几乎不能形成涡流，所以基本上不加热；另外，导电能力特别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，电磁炉使用的锅体材料导电性能相对较好，一般采用铁磁性材料的金属或者合金以及它们的复合体，一般采用的锅有：铸造铁锅、生铁锅、不锈铁锅．纯不锈铁锅材料由于其导磁性能非常低，所以在电磁炉上并不能正常工作．
（2）①热效率高．由于电磁灶是通过涡流而使磁性锅体发热的，它不存在热量再传导或辐射的过程，也就减少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%，而电磁灶的热效应可达80%.
②控温准确．电磁灶能方便而准确地根据用户的要求控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均匀，烹调效果好．
③安全可靠．由于电磁灶使用时不产生明火，再加上灶台本身不发热，并且又附有多种自动保护功能，因此使用时，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．由于电磁灶无明火，无烟，不会产生有害气体污染空气，还能保持锅体和灶台清洁，由于灶台面板为结晶陶瓷玻璃制成，即使食物溢出也不会焦糊，如有污物很容易擦净．
⑤使用方便．电磁灶体积小，重量轻，操作简单，一目了然，可随意搬动，便于携带，可以作为外出旅游之用，也可以放在餐桌上使用．
23．线圈中通以高频交变电流时，待焊接的金属工件中就产生感应电流，由于焊缝口的接触电阻很大，放出的焦耳热很多，致使温度升的很高，将金属熔化，焊接在一起；
【详解】
线圈中通以高频交变电流时，待焊接的金属工件中就产生感应电流，由于焊缝口的接触电阻很大，放出的焦耳热很多，致使温度升的很高，将金属熔化，焊接在一起；
24．见解析
【详解】
金属探伤时，是探测器中通过交变电流，产生变化的磁场，当金属处于该磁场中时，该金属中会感应出涡流，再借助探测线圈测定涡电流的变化量，从而获得构件缺陷的有关信息。
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