2024鲁科版高中物理选择性必修第二册同步练习--第3节　自感现象与涡流

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2024鲁科版高中物理选择性必修第二册同步
第3节　自感现象与涡流
基础过关练
　　　　　　　　　　　　　　　
题组一　自感电动势、自感系数
1.关于自感现象、自感系数、自感电动势,下列说法正确的是 (　　)
A.当线圈中通恒定电流时,线圈中没有自感现象,线圈自感系数为零
B.线圈中电流变化越快,线圈的自感系数越大
C.自感电动势方向与原电流方向相反
D.对于确定的线圈,其产生的自感电动势与其电流变化率成正比
2.线圈通以如图所示的随时间变化的电流,则 (　　)
A.0~t1时间内线圈中的自感电动势最大
B.t1~t2时间内线圈中的自感电动势最大
C.t2~t3时间内线圈中的自感电动势最大
D.t1~t2时间内线圈中的自感电动势为零
题组二　通电自感、断电自感
3.在如图所示电路中,L是自感系数足够大的线圈,它的电阻可忽略不计,D1和D2是两个完全相同的小灯泡。将开关K闭合,待灯泡亮度稳定后,再将开关K断开,则下列说法中正确的是 (　　)
A.K闭合瞬间,两灯同时亮,以后D1变更亮,D2变暗
B.K闭合瞬间,D1先亮,D2后亮,最后两灯亮度一样
C.K断开时,两灯都亮一下再慢慢熄灭
D.K断开时,D2立即熄灭,D1亮一下再慢慢熄灭
4.(2022河南新乡期末)在课堂中,三位同学合作完成了一个惊奇小实验:他们手拉手与一节电动势为1.5 V的干电池、若干导线、一个开关、一个有铁芯且匝数较多的线圈按图示方式连接,实验过程中人会有触电的感觉。下列说法正确的是 (　　)
A.闭合开关瞬间,人有触电的感觉
B.电路稳定时,流过人体的电流大于线圈的电流
C.断开开关瞬间,流过人的电流方向为P→Q
D.断开开关瞬间,线圈两端的电压突然增大
5.(2023福建厦门外国语学校石狮分校月考)如图所示电路中,D1和D2是两个完全相同的小灯泡,L是一个自感系数相当大的线圈,其直流电阻可不计。在开关S闭合和断开瞬间,下列说法正确的是 (　　)
A.当S闭合时,D1先达到最亮,稳定后D1熄灭时D2达到最亮
B.当S闭合时,D2先达到最亮,稳定后D1与D2亮度相同
C.电路稳定后断开S时,D1闪亮后与D2一起熄灭
D.电路稳定后断开S时,D2立即熄灭,D1闪亮后逐渐熄灭
6.(2023广东深圳翠园中学期中)如图所示,电路中线圈L的自感系数足够大,两个灯泡D1和D2的规格相同,D1与线圈L串联,D2与滑动变阻器R串联。先闭合开关S,调节滑动变阻器R,使两个灯泡的亮度相同,再调节滑动变阻器R1,使它们都正常发光,然后断开开关S。下列说法正确的是 (　　)
A.重新闭合开关S,D1先亮,D2后亮
B.断开开关S时,D2先熄灭,D1后熄灭
C.断开开关S时,D1先熄灭,D2后熄灭
D.断开开关S时,流过D2的电流方向向左
题组三　涡流及其应用
7.(2023重庆三校联考)如图甲所示,电磁炉是家庭常见的炊具,具有无明火、无污染、高效节能等优点。某同学仿照电磁炉原理自己制作了一个简易电磁炉,其结构简图如图乙所示。在线圈上端放置一盛有冷水的金属杯,接通交流电源,一段时间后杯内的水就会沸腾起来。下列说法正确的是 (　　)
甲
乙
A.简易电磁炉工作时,利用线圈产生的自感现象来加热水
B.家用电磁炉工作时,利用铁锅产生的涡流来加热食物
C.用家用电磁炉烹饪时用铁锅而不用陶瓷锅,主要是因为铁锅的导热性能更好
D.若简易电磁炉接通恒定电流,也可以对水加热
8.(2022江苏南通期末)2021年7月25日,台风“烟花”登陆上海后,“中国第一高楼”上海中心大厦上的阻尼器开始出现摆动,给大楼进行减振。如图所示为该阻尼器的简化图,该阻尼器首次采用了电涡流技术,底部附着永磁铁的质量块在导体板上方摆动时,导体板内产生涡电流。下列说法正确的是 (　　)
A.阻尼器摆动时产生的涡电流,源于外部电源
B.阻尼器最终将机械能转化成为内能
C.导体板电阻率越大,涡电流越大
D.导体板上的涡电流的大小与质量块的摆动速率无关
9.(2023天津二十中质量调查)“电磁感应铝箔封口机”被广泛应用在医药、食品、化工等生产行业的产品封口环节中,如图所示为一手持式封口机,它的工作原理是:在封口机工作时,套在瓶口上的封口头内的线圈有电流通过,致使靠近线圈(但与线圈绝缘)的铝箔自行快速发热,熔化复合在铝箔上的溶胶,从而粘贴在被封容器的瓶口处,达到迅速封口的目的。下列有关说法正确的是 (　　)
A.封口材料可用普通塑料来代替铝箔
B.封口机工作时封口头内的线圈有短时间的恒定电流
C.可以通过控制封口头内线圈电流的频率来设定铝箔发热的功率
D.封口头内线圈中电流产生的磁场方向应当与铝箔表面垂直
能力提升练
　　　　　　　　　　　　　　　
题组一　自感图像问题
1.(2022北京人大附中期末)用电流传感器(相当于电流表,其电阻可以忽略不计)研究通电自感现象的电路如图甲所示。电阻的阻值为R,自感线圈L中未插入铁芯,电源电动势为E,L的电阻和电源的内阻均可忽略。闭合开关S,传感器记录了电路中电流i随时间t变化的关系图像,如图乙中曲线①所示。如果改变某一条件,其他条件不变,重复实验,可以得到图乙中曲线②。改变的条件可能是 (　　)
A.线圈L中插入铁芯　　　　　　B.增大E
C.增大R　　　　　　D.减小R
2.(2021福建三明期末)如图甲所示为研究自感现象的电路图,其中灯泡的电阻R1=3.0 Ω,定值电阻R=1.0 Ω,A、B间电压U=6.0 V。闭合S,电路处于稳定状态;t=1.0×10-3 s时断开S,通过线圈L的电流随时间变化的i-t图线如图乙所示。下列说法正确的是　 (　　)
A.线圈L的直流电阻为4 Ω
B.断开开关瞬间,通过灯泡的电流方向向左
C.断开开关时,可以观察到灯泡闪一下再灭
D.通过电阻R的电荷量约为2.25×10-3 C
3.(2023北京第一七一中学期中)某同学利用电压传感器来研究电感线圈工作时的特点。图甲中三个灯泡完全相同,不考虑温度对灯泡电阻的影响。在闭合开关S的同时开始采集数据,当电路达到稳定状态后断开开关。图乙是由传感器得到的电压U随时间t变化的图像。不计电源内阻,线圈L的直流电阻为0。下列说法正确的是 (　　)
甲
乙
A.开关S闭合瞬间,流经灯D2和D3的电流相等
B.开关S闭合瞬间至断开前,流经灯D1的电流保持不变
C.开关S断开瞬间,灯D2闪亮一下再熄灭
D.根据题中信息,可以推算出图乙中U1与U2的比值
4.(2022福建莆田一中期末)在如图所示的电路中,L是一个自感系数很大、直流电阻不计的线圈,D1、D2和D3是三个完全相同的灯泡,电源内阻不计。在t=0时刻,闭合开关S,待电路稳定后,在t1时刻断开开关S。规定以电路稳定时流过D1、D2的电流方向为正方向,分别用I1、I2表示流过D1、D2的电流,则下列图像中能定性描述电流随时间变化关系的是 (　　)
题组二　涡流及其应用
5.(2023山东济南期中)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。如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 (　　)
甲
乙
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,则检测线圈的电流大小不变
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,则检测仪消耗的功率将变大
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
6.(2022山东枣庄期末)随着人们对电磁炮的研究不断深入,某高中科研兴趣小组利用学过的知识制造了一台电磁炮,其原理示意图如图甲所示,高压直流电源电动势为E,大电容器的电容为C。线圈套在中空的塑料管上,管内光滑,将直径略小于管的内径的金属小球静置于管口附近。首先将开关S接1,使电容器完全充电,然后立即将S转接2,此后电容器放电,通过线圈的电流随时间的变化如图乙所示,金属小球在0~t1时间内被加速发射出去,t1时刻刚好运动到管口。下列关于该电磁炮的说法正确的是 (　　)
A.小球在塑料管中做匀变速直线运动
B.在0~t1时间内,小球中产生的涡流从左向右看是顺时针方向的
C.在t1时刻,小球受到的线圈磁场对它的作用力为0
D.在0~t1时间内,电容器储存的电能全部转化为小球的动能
第3节　自感现象与涡流
基础过关练
1.D 2.CD 3.D 4.D 5.D 6.D
7.B 8.B 9.CD
1.D　自感系数是描述线圈特性的物理量,只与线圈本身有关。当线圈中通恒定电流时,线圈中没有自感现象,不产生自感电动势,但是线圈自感系数不为零,选项A错误。线圈中电流变化越快,产生的自感电动势越大,线圈的自感系数与电流变化快慢无关,选项B错误。根据楞次定律,当线圈中电流增大时,自感电动势阻碍电流增大,自感电动势方向与原电流方向相反;当线圈中电流减小时,自感电动势阻碍电流减小,自感电动势方向与原电流方向相同,选项C错误。对于确定的线圈,自感系数L一定,其产生的自感电动势与其电流变化率成正比,选项D正确。
2.CD　线圈中的自感电动势与通入的电流的变化率成正比,即E∝。根据题图分析:0~t1时间内的电流变化率小于t2~t3时间内的电流变化率,A错误,C正确;t1~t2时间内的电流变化率为零,自感电动势为零,B错误,D正确。
3.D　K闭合瞬间,由于线圈的电流增加,导致线圈中出现感应电动势从而阻碍电流的增加,所以两灯同时亮,当电流稳定时,由于线圈电阻可忽略不计,所以D1熄灭,D2变亮,选项A、B错误;K断开时,D2立即熄灭,由于线圈的电流减小,导致线圈中出现感应电动势从而阻碍电流的减小,所以D1亮一下再慢慢熄灭,选项C错误、D正确。
方法技巧　 自感现象的分析思路
明确通过自感线圈的电流怎样变化(是增大还是减小)

根据“增反减同”,判断自感电动势的方向

分析阻碍的结果:电流增强时,由于自感电动势的作用,线圈中电流逐渐增大,与线圈串联的元件中的电流也逐渐增大;电流减小时,由于自感电动势的作用,线圈中电流逐渐减小,与线圈串联的元件中的电流也逐渐减小
4.D　闭合开关瞬间,人两端的电压等于电源两端的电压,为1.5 V,不足以产生触电感觉,A错误;电路稳定时,因为人体的电阻远大于线圈的电阻,所以通过人体的电流小于线圈中的电流,B错误;断开开关瞬间,线圈产生的电动势要阻碍线圈中的电流变小,因此产生的感应电流方向与原方向相同,自左向右,断开开关时线圈与人组成新的闭合回路,因此流过人体的电流由Q→P,C错误;断开开关瞬间,由于电流变化太快,导致线圈产生的感应电动势非常大,所以线圈两端电压会变大,D正确。
5.D　D1和D2在S闭合瞬间立即发光,由于线圈L的自感作用,D1会逐渐变暗,D2亮度会逐渐增强,电路稳定后D1被短路而熄灭;D1熄灭时D2达到最亮,选项A、B错误。电路稳定后断开S时,D2立即熄灭,而D1与线圈L组成回路,D1闪亮后逐渐熄灭,选项C错误、D正确。故选D。
6.D　重新闭合开关S,因为线圈L的自感系数足够大,所以D2先亮,D1后亮,A错误;断开开关S时,D1、D2分别与L、R构成闭合回路,L相当于电源,线圈L中产生感应电动势,阻碍电流减小,所以流过D1的电流方向向右,流过D2的电流方向向左,回路中电流逐渐减小,则D1、D2都会逐渐变暗,且同时熄灭,故D正确,B、C错误。故选D。
7.B　电磁炉工作时,通过金属的磁通量发生变化产生涡流,利用涡流来加热食物或者水,是互感现象,故A错误,B正确;用家用电磁炉烹饪时,用铁锅而不用陶瓷锅,主要是因为陶瓷不能产生涡流,金属锅能产生涡流,故C错误;若简易电磁炉接通恒定电流,不会产生涡流,不能对水加热,故D错误。故选B。
8.B　阻尼器摆动时,永磁铁在导体板上方摆动,磁通量发生变化,从而在导体板内产生涡电流,属于电磁感应现象,A错误;通过阻碍质量块和永磁铁的运动,阻尼器将动能转化为电能,并通过电流做功将电能最终转化为内能,B正确;导体板电阻率越大,电阻越大,涡电流越小,C错误;质量块摆动的速率越大,穿过导体板的磁通量变化越快,产生的感应电动势和涡电流也越大,D错误。
9.CD　由涡流的原理可知,当磁感线穿过封口铝箔材料时,瞬间产生涡流,致使铝箔自行快速发热,而如果封口材料用普通塑料来代替铝箔,则不能产生涡流,选项A错误;由涡流的原理可知,穿过线圈的磁场必须是变化的磁场,才能使铝箔内产生涡流,所以封口机工作时封口头内的线圈有变化的电流,选项B错误;若改变封口头内线圈电流的频率,则电流产生的磁场变化的频率也发生改变,则周期发生改变,根据法拉第电磁感应定律可知在铝箔内产生的电动势改变,由闭合电路欧姆定律可知,产生的涡流的电流值改变,致使封口过程中铝箔发热的功率改变,所以可以通过控制封口头内线圈电流的频率来设定铝箔发热的功率,选项C正确;由封口机的原理可知,封口头内线圈中电流产生的磁场发生改变时,铝箔表面的磁通量发生改变,所以封口头内线圈中电流产生的磁场方向应当与铝箔表面垂直,选项D正确。
能力提升练
1.A 2.B 3.D 4.BC 5.C 6.C
1.A　若线圈中插入铁芯,线圈的自感系数增大,自感现象更明显,上述过程中电路中电流达到稳定值经历的时间大于曲线①的时间,A正确;若增大E或减小R,则电路稳定后的Im应增大,而乙图中曲线②的Im没有发生改变,这说明二者没有发生改变,B、D错误;同理,若增大R,则电路稳定后的Im应减小,乙图中曲线②的Im没有发生改变,这说明R没有发生改变,C错误。
2.B　断开开关前,通过线圈的电流为1.5 A,则线圈所在支路的总电阻R支=RL+R== Ω=4 Ω,线圈的直流电阻RL=R支-R=3 Ω,故A错误;断开开关前,通过线圈的电流方向向右,断开开关瞬间,线圈产生的感应电流方向向右,则通过灯泡的电流方向向左,故B正确;断开开关前通过灯泡的电流I1== A=2 A,由题图乙可知,断开开关后,通过灯泡的电流从1.5 A逐渐减小到零,灯泡不会闪亮,而是逐渐变暗最后熄灭,故C错误;由于q=It,故可由题图乙得,通过电阻R的电荷量等于i-t图像与时间轴所围的面积,大小约为q=42×0.1×0.2×10-3 C=8.4×10-4 C,故D错误。
3.D　开关S闭合瞬间,由于线圈L阻碍电流增大,因此灯D3逐渐变亮,通过灯D3的电流缓慢变大,待电路稳定后,流经灯D2和D3的电流相等;故从开关S闭合瞬间至断开前,流经灯D1的电流是逐渐增加的,A、B错误;开关S断开瞬间,线圈L阻碍电流减小,线圈L继续为灯D2和D3提供电流,又因为电路稳定的时候,流经灯D2和D3的电流相等,所以灯D2逐渐熄灭,不会闪亮,C错误;开关S闭合瞬间,灯D1和D2串联,电压传感器所测电压为D2两端电压,则U1=,电路稳定后,流过D3的电流为I=·=,开关S断开瞬间,线圈L能够为D2和D3提供与之前等大的电流,故其两端电压为U2=I·2R=,所以=,故根据题中信息,可以推算出图乙中U1与U2的比值,D正确。故选D。
4.BC　当闭合开关S时,因为线圈与D1串联,所以电流I1会慢慢增大,最后达到最大值;当开关S断开时,因为线圈发生自感会阻碍电流的减小且方向不变,所以通过D1的电流不会立即消失,会从原来的大小慢慢减小到零,A错误,B正确;闭合开关S瞬间,灯泡D2这一支路立即就有电流,由于L直流电阻不计,稳定后有I1=2I2,当断开开关S时,D2这一支路原来的电流立即消失,此时线圈与D1和D2、D3构成回路,通过D1的电流也流过D2,所以I2变成反向,且逐渐减小到零,D错误,C正确。
5.C　激励线圈输入功率大于检测线圈消耗功率,管道壁中产生涡流,有一定的热功率,P激励=P检测+P热,故A错误;增大激励线圈中交流电的频率,检测线圈的磁通量变化率变大,产生的感应电动势变大,则检测线圈的电流变大,故B错误;增大激励线圈中交流电的频率,检测线圈的功率和管道产生的热功率变大,则检测仪消耗的功率将变大,故C正确;当检测仪从金属管道完好处进入破损处检测时,管道壁厚度减小,则管道壁中产生的涡流变弱,故D错误。
6.C　线圈中的磁场强弱程度与通过线圈的电流大小成正比,线圈中产生的磁感应强度变化步调与线圈中电流i的变化步调一致,在0~t1时间内,电流i从0逐渐增大,但其变化率却逐渐减小至0,所以线圈中的磁通量变化率也逐渐减小至0,金属小球中感应电动势也逐渐减小至0,金属小球中的涡流也逐渐减小至0,可知t=0时刻,金属小球受到线圈磁场对它的作用力为0,t1时刻,金属小球受到线圈磁场对它的作用力也为0,故0~t1时间内,金属小球受到线圈磁场对它的作用力应先增大后减小,即加速度应先增大后减小,A错误,C正确;0~t1时间内,由安培定则知线圈电流在线圈内产生的磁场方向向右,线圈电流在增大,则通过金属小球的磁通量在增大,根据楞次定律可知金属小球中产生涡流的磁场方向向左,由安培定则可知,金属小球中产生的涡流从左向右看是逆时针方向的,B错误;在0~t1时间内,电容器减少的电场能转化为磁场能,磁场能有一部分转化为小球的动能,还留有一部分磁场能,所以减少的电场能大于小球增加的动能,D错误。
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