选择性必修二2.5涡流现象及其应用(word版含答案)

选择性必修二 2.5 涡流现象及其应用
一、单选题
1．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
2．在生产和生活中，有时候需要利用涡流效应，有时候需要避免涡流效应，下列关于涡流应用的说法中不正确的是（　　）
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
3．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
4．下列说法不符合物理学史的是（　　）
A．奥斯特发现了电流的磁效应
B．法拉第发现了电磁感应现象
C．牛顿解释了涡旋电场的产生原理
D．楞次找到了判断感应电流方向的方法
5．如图所示是冶炼金属的感应炉的示意图。感应炉中装有待冶炼的金属，当线圈中通有电流时，通过产生涡流来熔化金属。以下关于感应炉的说法中正确的是（ ）
A．感应炉的线圈中必须通有变化的电流，才会产生涡流
B．感应炉的线圈中通有恒定的电流，也可以产生涡流
C．感应炉是利用线圈中电流产生的焦耳热使金属熔化的
D．感应炉是利用线圈中电流产生的磁场使金属熔化的
6．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．降低交流电源的频率
B．增加线圈的匝数
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
7．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
8．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
9．下列关于教材中四幅插图的说法正确的是（　　）
A．图甲中，当手摇动柄使得蹄形磁铁转动，则铝框会反向转动，且跟磁体转动的一样快
B．图乙是真空冶炼炉，当炉外线圈通入高频交流电时，线圈中产生大量热量，从而冶炼金属
C．丙是回旋加速器的示意图，当增大交流电压时，粒子获得的最大动能不变，所需时间变短
D．图丁是微安表的表头，在运输时要把两个正、负接线柱用导线连在一起，这是为了保护电表指针，利用了电磁驱动原理
10．为解决智能手机电池不耐用问题，一种新型的充电方式——无线充电产生了。如图所示为无线充电原理图，由与充电基座相连的送电线圈和与手机电池相连的受电线圈构成。那么关于无线充电过程，下列说法正确的是（　　）
A．送电线圈接直流电源
B．受电线圈输出的是恒定电流
C．送电线圈和受电线圈通过互感完成对电池充电
D．送电线圈和受电线圈通过涡流完成对电池充电
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．现代科学研究中常要用到高速电子，电子感应加速器就是利用感生电场使电子加速的设备。如图所示，上面为侧视图，上、下为电磁体的两个磁极；下面为磁极之间真空室的俯视图。若从上往下看电子在真空室中沿逆时针方向做圆周运动，改变电磁体线圈中电流的大小可使电子加速。则下列判断正确的是（　　）
A．真空室中产生的感生电场沿逆时针方向 B．通入电磁体线圈的电流在增强
C．电子在轨道中加速的驱动力是洛伦兹力 D．电子在轨道中做圆周运动的向心力是电场力
13．如图是电磁炉内部结构及锅的示意图，下列说法正确的是（　　）
A．通电线圈接通交变电流，频率越小，加热越快
B．通电线圈接通交变电流，频率越大，加热越快
C．通电线圈接通恒定电流，电流越大，加热越快
D．将不锈钢锅换成陶瓷锅，电流越大，加热越快
14．磁力刹车是游乐场中过山车采用的一种新型刹车装置，比靠摩擦力刹车更稳定。如图为该新型装置的原理图（从后面朝前看），过山车的两侧装有铜片，停车区的轨道两侧装有强力磁铁，当过山车进入停车区时，铜片与磁铁的相互作用能使过山车很快停下来。下列说法正确的是（　　）
A．磁力刹车利用了电流的磁效应
B．磁力刹车属于电磁驱动现象
C．磁力刹车的过程中动能转化为电能，最终转化成内能
D．过山车的质量越大，进入停车区时由电磁作用引起的刹车阻力越大
15．物理学的基本原理在生产、生活中有着广泛的应用，下列列举的四种电器中，利用了涡流原理工作的是（　 　）
A．电饭煲 B．微波炉 C．电磁灶 D．白炽灯泡
二、填空题
16．探测地雷的探雷器是利用涡流工作的，士兵手持一个长柄线圈从地面扫过，线圈中___________有的电流．如果地下埋着___________，金属中会感应出___________，涡流的___________又会反过来影响线圈中的___________，使仪器报警．
17．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)
18．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。
19．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。( )
三、解答题
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．某同学在学习了涡流现象的知识后，制作了如图所示的实验装置。将一个玩具小人连接弹簧悬挂起来，玩具的底部粘上一块强磁铁，并分别制作了铝环、塑料环和带缺口的铝环。
请利用上述实验器材，通过比较的方式，分别设计一个能够演示电磁驱动和演示电磁阻尼的实验。
22．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？
23．英国物理学家分析了电磁感应现象之后，明确指出：变化的磁场能够在它的周围产生感应电场，也叫做涡旋电场，这类电场的电场线是闭合的。而我们之前学过的静电场的电场线是不闭合的，说明这两类电场是有一定的本质区别的，试通过查阅资料介绍涡旋电场和静电场的区别。
24．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．
试卷第1页，共3页
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参考答案：
1．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。
2．B
【详解】
A．真空冶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，选项A正确，不符合题意；
B．家用电磁炉锅体中的涡流是由变化的磁场产生的，选项B错误，符合题意；
C．根据楞次定律，阻尼摆摆动时产生的涡流总是阻碍其运动，选项C正确，不符合题意；
D．变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成，能减小涡流，选项D正确，不符合题意。
故选B。
3．A
【详解】
A．法拉第是利用“电生磁”现象来判断感应电流的有无，故A正确；
B．开关闭合瞬间，原磁场增大，根据楞次定律，感应电流磁场向上，所以小磁针上方导线电流向右，小磁针的N极向纸内旋转，故B错误；
C．开关闭合后，小磁针的N极向纸内旋转一定角度，稳定后，A线圈电流不变，磁场不变，B线圈无感应电流，小磁针复原，故C错误；
D．开关闭合稳定后，磁场恒定，铁芯中无涡流，故D错误。
故选A。
4．C
【详解】
A．1820年，奥斯特发现了电流的磁效应，符合物理学史；
B．法拉第经过近十年的探索，在1831年发现了电磁感应现象，符合物理学史；
C．牛顿没有解释了涡旋电场的产生原理，麦克斯韦解释了涡旋电场的产生原理，不符合物理学史；
D．楞次找到了判断感应电流方向的方法，即楞次定律，符合物理学史。
本题不符合物理学史的，故选C。
5．A
【详解】
AB．变化的电流才能产生变化的磁场，引起感应炉中磁通量的变化，产生涡流，恒定电流不会使感应炉中的磁通量发生变化，不会有涡流产生，故A正确，B错误；
CD．当感应炉内装入待冶炼的金属时，会在待冶炼的金属中直接产生涡流来加热金属，而不是利用线圈中电流产生的焦耳热，也不是利用线圈中电流产生的磁场加热，故CD错误。
故选A。
6．B
【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A错误，B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B。
7．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。
8．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。
9．C
【详解】
A．根据电磁驱动原理，图甲中，当手摇动柄使得蹄形磁铁转动，则铝框会同向转动，且比磁体转动的慢，故A错误；
B．图乙是真空冶炼炉，当炉外线圈通入高频交流电时，铁块中产生涡流，产生大量热量，从而冶炼金属，故B错误；
C．根据
可得
即粒子获得的最大动能与电压无关，但是加速电压变大时，粒子加速的时间变短，所以所需时间变短，故C正确；
D．图丁是微安表的表头，在运输时要把两个正、负接线柱用导线连在一起，这是为了保护电表指针，利用了电磁阻尼原理，故D错误。
故选C。
10．C
【详解】
送电线圈要接入交流电源，周期性变化的电流产生的磁场，变化的磁场在受电线圈中产生变化的电流，所以受电线圈中产生的是感应电流，即送电线圈和受电线圈是通过互感完成对电池充电的，不是自感，所以受到线圈中不是涡流，故C正确， ABD错误。
故选C。
11．C
【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
【详解】
A．电子沿逆时针方向加速，则电子所受电场力沿逆时针方向，所以感生电场的方向沿顺时针方向，A错误；
B．当电磁铁线圈电流的方向与图示方向一致时，若电流增大，根据楞次定律，可知涡旋电场的方向为顺时针方向，电子将沿逆时针方向做加速运动，B正确；
C．由于感生电场使电子加速，即电子在轨道中加速的驱动力是电场力，C错误；
D．电子在轨道中做圆周运动的向心力是洛伦兹力，D错误。
13．B
【详解】
D．电磁炉是根据电磁感应原理制成的，陶瓷锅体中不能产生感应电流，不能加热，D错误；
C．电磁炉是根据电磁感应原理制成的，通电线圈接通恒定电流，不能产生变化的磁场，不能在锅体中产生感应电流，不能加热，C错误；
AB．根据法拉第电磁感应定律，交变电流的频率越大，磁场变化越快，产生的感应电动势越大，根据欧姆定律，锅体中的感应电流越大，加热越快，A错误，B正确。
故选B。
14．C
【详解】
AB．磁力刹车过程会产生涡流，属于电磁感应现象，并非是电流的磁效应，也不属于电磁驱动现象，选项A、B错误；
C．磁力刹车的过程中，铜片穿过磁铁时产生涡流，在磁场中受到安培力作用，阻碍过山车的运动，故磁力刹车的过程中动能转化为电能，最终转化成内能，选项C正确；
D．过山车的速度越大，进入停车区时由电磁作用引起的刹车阻力越大，和质量无关，选项D错误。
故选C。
15．C
【详解】
A．电饭煲利用电流热效应，不是利用电磁感应原理，故A错误；
B．微波炉利用变化的电磁场，产生电磁波，故B错误；
C．电磁炉是利用涡轮效应，将电能最终转化为内能，故C正确；
D．白炽灯泡的工作原理是电流的热效应，故D错误。
故选C。
16． 变化着 金属物品 涡流 磁场 电流
【详解】
探测器中有交流电流；其产生变化的磁场；其磁场会在金属物品中感应出涡流；而涡流产生的磁场又会发过来影响线圈中的电流，从而使仪器报警．
17． 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.
18． 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。
19． 正确 正确 正确 错误 正确 正确 错误
【详解】
20．见解析
【详解】
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．见解析
【详解】
要演示电磁驱动和演示电磁阻尼实验，必须要在圆环中产生感应电流，感应电流的磁场与玩具小人下面的磁铁作用产生阻尼作用，则必须要求圆环是闭合的铝环，不能用塑料环或带缺口的铝环。
演示电磁阻尼设计实验如下：让圆环不动，让玩具小人上下振动起来，则会发现小人的振动很快停止；
演示电磁驱动设计实验如下：先让玩具小人不动，让圆环上下振动起来，则会发现小人也很快振动起来；
22．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；
23．见解析
【详解】
（1）产生原因不同：
静电场──由静电荷产生
涡旋电场──由变化磁场产生
（2）电场线的分布不同：
静止电荷产生的静电场，其电场线起于正电荷终止于负电荷，不可能闭合；
变化磁场产生的涡旋电场，其电场线没有起点、终点，是闭合的。
（3）电场力做功情况不同：
静电场中电场力做功和路径无关，只和移动电荷初末位置的电势差有关；
涡旋电场中移动电荷时，电场力做功和路径有关，因此不能引用“电势”、“电势能”等概念。
24．(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
(1)根据法拉第电磁感应定律求出感应电动势.
(2)带正电荷的金属球周围的场强分布与点电荷的电场分布类似，也可以使用积分法求它的场强.
(3)动生电动势是由于洛仑兹力作用而产生，感生电动势是由于涡旋电场的电场力产生.
【详解】
(1)
(2)求x处的涡旋电场场强，可认为放一个半径为x的导体环（圆心和磁场区域圆心相同）
当x＜r时：
当x≥r时：
画出E-x图像如图：
(3)Er=，+q受力沿着电场线（顺时针）
顺时针移动时:W1=Erq·
逆时针移动时:
因为：沿不同路径从M移动到N点，W1≠W2，即涡旋电场力做功与路径有关，所以不存在电势能EP的概念，，所以不存在电势的概念.
本题考查感生电动势与动生电动势，关键是找出非静电力的来源，会从法拉第电磁感应定律公式推导切割公式.
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