2.5涡流现象及其应用（word版含答案）

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．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
2．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
3．如图所示为高频电磁炉的工作示意图，它是采用电磁感应原理产生涡流加热。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食物中产生涡流对食物加热
B．电磁炉是利用变化的磁场在含铁质锅底产生涡流对食物加热
C．电磁炉是利用变化的磁场在灶台台面产生涡流对食物加热
D．电磁炉跟电炉一样是让电流通过电阻丝产生热量来对食物加热
4．如图所示，在一个绕有线圈的可拆变压器铁芯上放一小铁锅冷水。现接通交流电源，几分钟后，锅中的水沸腾起来，时刻的电流方向已在图中标出，且此时电流正在增大，下列说法正确的是（　　）
A．线圈中电流变化越大，自感电动势越大，自感系数也增大
B．小铁锅中产生涡流，涡流的热效应使水沸腾起来
C．时刻，从上往下看，小铁锅中的涡流沿逆时针方向
D．变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成能增大涡流
5．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
6．电磁炉是我们生活中常见的厨具，它的工作原理是：当线圈中通入交变电流时，变化的电流产生变化的磁场，变化的磁场在铁锅内产生感应电流，利用电流的热效应来加热食物。加热过程中所利用的电磁学规律的发现者为（　　）
A．牛顿 B．库仑 C．法拉第 D．洛伦兹
7．零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．
8．下列实验或器件利用涡流的是（　　）
A．电磁感应实验 B．日光灯电路
C．直流电动机 D．电磁灶
9．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
10．下列没有利用涡流的是（　　）
A．金属探测器
B．变压器中用互相绝缘的硅钢片叠成铁芯
C．用来冶炼合金钢的真空冶炼炉
D．磁电式仪表的线圈用铝框做骨架
11．下面四幅图展示了一些物理学的应用，下列说法正确的是（　　）
A．甲图，其工作原理是线圈通以变化电流后，在锅体中产生涡流，进而发热工作
B．乙图，它可以指示南北方向，其工作原理是由于指针受到重力作用
C．丙图，其内部用包含金属丝的织物制成，因为金属丝很坚韧，有利于保护人体
D．丁图，在运输途中为防止指针猛烈偏转而损坏，会将其正负接线柱用导线连接，这是利用了电磁感应中的电磁驱动现象
12．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
13．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
14．电磁学的成就极大地推动了人类社会的进步。下列说法正确的是（　　）
A．甲图中，奥斯特通过实验研究，总结出电磁感应现象中感应电流方向的规律
B．乙图电路中，开关断开瞬间，灯泡会突然闪亮一下，并在开关处产生电火花
C．丙图中，在真空冶炼中，可以利用高频电流产生的涡流冶炼出高质量的合金
D．丁图中，楞次通过实验研究，发现了电流周围存在磁场
15．下列家用电器在工作时，主要利用电流热效应的是（　　）
A．电磁炉 B．电冰箱 C．吸尘器 D．电饭煲
二、填空题
16．涡流：当线圈中的______随时间变化时，线圈附近的任何导体中都会产生感应电流，用图表示这样的感应电流，就像水中的旋涡，所以把它叫作______，简称______。
17．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。
18．电磁炉是利用高频电流在电磁炉内部线圈中产生磁场，磁化铁质锅底，使之形成无数个小涡流，加快锅底分子运动，锅底自身高速发热达到加热食物的目的，其工作原理如图所示．
(1)使用微型电脑控制的电磁炉加热时不产生明火、无烟尘、无废气、清洁、安全、高效节能，是现代家庭中理想的灶具，请写出电磁炉在使用中触及到的物理知识(只写两点)：________________和________________．
(2)在使用电磁炉加热食物时，电磁炉和锅之间的传热方向是：由________传递给________；使用电磁炉加热食物的过程中要消耗________能得到________能．
(3)“多宝”牌电磁炉某一款式性能参数如下表所示：
根据表中的参数分析，电磁炉与普通的电加热器相比，有哪些优点？__________________和_______________ (请写出两点)
19．用来冶炼合金钢的真空___________，炉外有___________，线圈中通入___________电流，炉内的金属中产生___________，涡流产生的___________使金属熔化并达到很高的温度。
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．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)
22．如图所示是利用高频交流电焊接自行车零件的原理示意图，其中外圈A是通高频交流电的线圈，B是自行车零件，a是待焊接口，焊接时接口两端接触在一起，当A中通有交流电时，B中会产生感应电流，使得接口处金属熔化而焊接起来.
（1）试分析说明，焊接的快慢与交变电流的频率有什么关系.
（2）试解释说明，为什么焊接过程中，接口a处被熔化而零件其他部分并不是很热.
23．如图所示是高频焊接原理示意图，线圈中通以高频变化的电流时，待焊接的金属工件中会产生感应电流，感应电流通过焊缝处时产生大量热量，从而将金属熔化，把工件焊接在一起，而工件其他部分发热却很少。据此判断以下三名同学的说法是否正确，为什么？
同学甲：电流变化的频率越高，焊缝处的温度升得越快。
同学乙：要使焊缝处产生的热量较大，可增大交变电流的电压。
同学丙：工件上只有焊缝处温度升得很高，是因为焊缝处的电阻小。
24．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。
试卷第1页，共3页
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参考答案：
1．D
【详解】
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。
2．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。
3．B
【详解】
电磁炉是利用变化的磁场在含铁质锅底产生涡流对食物加热，故B正确，ACD错误。
故选B。
4．B
【详解】
A．线圈中电流变化越快，自感电动势越大，与电流变化的大小没有必然的关系，线圈的自感系数是由线圈本身的性质决定的，与线圈的电流变化无关，选项A错误；
B．由于交流电在线圈中产生变化的磁场，变化的磁场穿过小铁锅可以在小铁锅中产生感生电场，从而产生涡流，涡流的热效应使水沸腾起来，选项B正确；
C．时刻电流从线圈的上端流入且电流正在增大，根据安培定则可知穿过小铁锅的磁场是向上增大的，根据楞次定律可知，小铁锅中涡流的磁场方向一定是向下的，再根据安培定则可知，从上往下看，小铁锅中的涡流沿顺时针方向，选项C错误；
D．由于导体中的涡流会损耗能量，所以变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成，其目的是为了减小涡流，选项D错误。
故选B。
5．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。
6．C
【详解】
电磁炉是利用电磁感应原理工作的，电磁感应现象的发现者是英国物理学家法拉第。故C正确。
故选C。
7．D
【详解】
AC．如图所示，当指针向左偏转时，铝框或铝板可能会离开磁场，产生不了涡流，起不到电磁阻尼的作用，指针不能很快停下，A、C方案不合理，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，铝框不能切割磁感线，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，B方案不合理，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，都会在铝板上产生涡流，起到电磁阻尼的作用，指针会很快稳定的停下，便于读数，D方案合理，D正确。
故选D。
8．D
【详解】
A．电磁感应实验利用的是法拉第电磁感应定律，A错误；
B．日光灯电路主要利用的是镇流器的自感现象，B错误；
C．直流电动机利用的是通电导线在磁场中会受到安培力作用而转动的现象，C错误；
D．电磁灶利用的是高频交变磁场通过锅体，在锅体内产生涡流而发热，D正确。
故选D。
9．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。
10．B
【详解】
金属探测器、真空冶炼炉都是利用涡流现象工作的，磁电式仪表利用涡流能让指针快速稳定，也是利用涡流现象，变压器中的硅钢片是为了防止涡流产生铁损，故只有B没有利用，ACD均利用了。
故选B。
11．A
【详解】
A．甲图，其工作原理是线圈通以变化电流后，在锅体中产生涡流，进而发热工作，A正确；
B．乙图，它可以指示南北方向，其工作原理是由于指针受到地磁场的作用力，B错误；
C．丙图，电工服不应含金属丝，内部用包含金属丝的织物制成的服装应作为防辐射服，有静电屏蔽作用，C错误；
D．丁图，在运输途中为防止指针猛烈偏转而损坏，会将其正负接线柱用导线连接，这是利用了电磁感应中的电磁阻尼现象，D错误。
故选A。
12．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。
13．A
【详解】
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。
14．C
【详解】
A．楞次总结出判断电磁感应现象中感应电流方向的规律，故A错误；
B．乙图电路中，开关断开瞬间，灯泡立即熄灭，开关处电压等于电源的电动势加上自感电动势，开关处可能会产生电火花，故B错误；
C．丙图中，在真空冶炼中，可以利用高频电流产生的涡流冶炼出高质量的合金，故C正确；
D．奥斯特通过实验研究，发现了电流周围存在磁场，故D错误。
故选C。
15．D
【详解】
A．电磁炉是利用电流的磁效应工作的，故A错误；
B．电冰箱是利用电动机带动工作的，应用了电流的磁效应，故B错误；
C．吸尘器是通过电流做功带动风扇转动而形成风，从而把灰尘吸进吸尘器。故主要是将电能转化为机械能，故C错误。
D．电饭煲是利用了电流的热效应，电能转化成内能，符合题意，故D正确；
故选D。
16． 电流 涡电流 涡流
【详解】
略
17．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。
18． 电流产生磁场 热传递(分子运动加快、内能增加，温度升高 锅 电磁炉 电 内 热效率高 功率调节范围大
【详解】
（1）电磁炉在使用中触及到的物理知识：电流产生磁场；热传递(分子运动加快、内能增加，温度升高)．
（2）在使用电磁炉加热食物时，因热量由锅内的涡流产生，则电磁炉和锅之间的传热方向是：由锅传递给电磁炉；使用电磁炉加热食物的过程中要消耗电能得到热能．
（3）电磁炉与普通的电加热器相比优点：热效率高；功率调节范围大.
19． 冶炼炉； 线圈； 周期性变化的； 涡流； 热量
【详解】
在真空冶炼炉中，炉外的高频交变电流产生的高频的周期性变化的磁场，周期性变化的磁场又在炉内产生感应电流，进而产生涡流，将电能转化为热量，使金属熔化并达到很高的温度来冶炼合金。
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．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．
22．见解析
【详解】
（1）线圈A中交变电流的频率越高，B中磁通量的变化率越大，产生的感应电动势越大，感应电流I越大，所以电流的热功率也越大，焊接越快。
（2）B中各处电流大小相等，但在接口a处因是点接触，此种接触电阻很大，电流的热功率也很大，而其他部分电阻很小，电流的热功率也很小，所以接口处已被熔化，而其他部分并不是很热。
【点睛】
涡流现象产生的热效应取决于产生电流的强弱及电阻的大小，而电流的强弱又取决于感应电动势的大小，感应电动势的大小又受线圈交变电流变化快慢的影响，即受交变电流频率的影响。
23．同学甲和乙说法正确，丙错误，见解析
【详解】
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，甲同学说法正确；
当增大交变电流的电压，则线圈中交流电流增大，那么磁通量变化率增大，因此产生感应电动势增大，感应电流也增大，那么焊接时产生的热量也增大，乙同学的说法正确；
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，丙同学说法错误
24．见解析。
【详解】
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。
答案第1页，共2页
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