第四章 第7节 涡流、电磁阻尼和电磁驱动

第四章第7节涡流、电磁阻尼和电磁驱动「基础达标练」1．(多选)安检门是一个用于安全检查的“门”，“门框”内有线圈，线圈里通有交变电流，交变电流在“门”内产生交变磁场，金属物品通过“门”时能产生涡流，涡流的磁场又反过来影响线圈中的电流，从而引起报警．以下关于这个安检门的说法正确的是() A．这个安检门也能检查出毒品携带者B．这个安检门只能检查出金属物品携带者C．如果这个“门框”的线圈中通上恒定电流，也能检查出金属物品携带者D．这个安检门工作时，既利用了电磁感应现象，又利用了电流的磁效应解析：选BD这个安检门是利用涡流工作的，因而只能检查出金属物品携带者，A错，B对；若“门框”的线圈中通上恒定电流，只能产生恒定磁场，它不能使块状金属产生涡流，因而不能检查出金属物品携带者，C错；安检门工作时，既利用了电磁感应现象，又利用了电流的磁效应，D对．2．桌面上放一铜片，如图所示，一条形磁铁的N极自上而下接近铜片的过程中，铜片对桌面的压力()A．增大B．减小C．不变D．无法判断是否变化解析：选A磁铁的N极接近铜片时，自上而下穿过铜片的磁通量增大，在铜片内会产生逆时针方向绕行的感应电流(如图所示)，使铜片上方呈现N极，阻碍磁铁接近．根据牛顿第三定律知，磁铁对铜片有同样大小的作用力，使铜片增加对桌面的压力．3．下列有关金属探测器工作原理叙述正确的是()A．金属探测器是利用电流的热效应原理工作的B．当金属探测器在探测到金属时，会在探测器内部产生涡流，致使蜂鸣器发出蜂鸣声C．金属探测器自身不产生迅速变化的磁场时，仍可以探测到金属物质而正常工作D．金属探测器在正常工作时，自身会产生迅速变化的磁场，从而使探测器附近的金属内部产生涡流，影响原来的磁场，引发报警解析：选D金属探测器利用的是电磁感应现象，故A、C错误；金属探测器探测金属时，被测金属中感应出涡流，故B错误；探测过程中工作时，当探测器靠近金属物体时，能在金属中形成涡流，进而引起线圈中电流的变化，产生涡流，影响原来的磁场，引发报警，故D正确．4．(多选)关于涡流，下列说法中正确是()A．真空冶炼炉是利用涡流来熔化金属的装置B．家用电磁炉是利用涡流来加热食物的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增大涡流解析：选ABC高频冶炼炉是用涡流来熔化金属对其进行冶炼的，炉内放入被冶炼的金属，线圈内通入高频交变电流，这时被冶炼的金属中产生涡流就能被熔化，故A正确；电磁炉利用高频电流在电磁炉内部线圈中产生磁场，当含铁质锅具放置炉面时，铁磁性锅体被磁化，在锅具底部产生交变的涡流来加热食物，故B正确；阻尼摆摆动时产生的涡流总是阻碍其运动，当金属板从磁场中穿过时，金属板板内感应出的涡流会对金属板的运动产生阻碍作用，故C正确；在整块导体内部发生电磁感应而产生感应电流的现象称为涡流现象，要损耗能量，不用整块的硅钢铁芯，其目的是为了减小涡流，故D错误．5．(多选)1824年，法国科学家阿拉果完成了著名的“圆盘实验”．实验中将一铜圆盘水平放置，在其中心正上方用柔软细线悬挂一枚可以自由旋转的磁针，如图所示．实验中发现，当圆盘在磁针的磁场中绕过圆盘中心的竖直轴旋转时，磁针也随着一起转动起来，但略有滞后．下列说法正确的是()A．圆盘上产生了感应电动势B．圆盘内的涡电流产生的磁场导致磁针转动C．在圆盘转动的过程中，磁针的磁场穿过整个圆盘的磁通量发生了变化D．圆盘中的自由电子随圆盘一起运动形成电流，此电流产生的磁场导致磁针转动解析：选AB由于磁针位于圆盘的正上方，所以穿过圆盘的磁通量始终为零，故C错误；如果将圆盘看成由沿半径方向的“辐条”组成，则圆盘在转动过程中，“辐条”会切割磁感线产生感应电动势，在圆盘中产生涡电流，该涡电流产生的磁场导致磁针运动，故A、B正确；同时圆盘中的自由电子随圆盘一起转动形成电流，该电流对磁针没有作用力，D错误．6.高频感应炉是用来熔化金属对其进行冶炼的，如图所示为冶炼金属的高频感应炉的示意图，炉内放入被冶炼的金属，线圈通入高频交变电流，这时被冶炼的金属就能被熔化，这种冶炼方法速度快，温度易控制，并能避免有害杂质混入被冶炼金属中，因此适于冶炼特种金属．该炉的加热原理是() A．利用线圈中电流产生的焦耳热B．利用线圈中电流产生的磁场C．利用交变电流的交变磁场在炉内金属中产生的涡流D．给线圈通电的同时，给炉内金属也通了电解析：选C高频感应炉的原理：给线圈通以高频交变电流后，线圈产生高频变化的磁场，磁场穿过金属，在金属内产生涡流，由于电流的热效应，可使金属熔化．故只有C正确．7．如图所示，上下开口、内壁光滑的铜管P和塑料管Q竖直放置．小磁块先后在两管中从相同高度处由静止释放，并落至底部．则小磁块()A．在P和Q中都做自由落体运动B．在两个下落过程中的机械能都守恒C．在P中的下落时间比在Q中的长D．落至底部时在P中的速度比在Q中的大解析：选C小磁块从铜管P中下落时，P中的磁通量发生变化，产生感应电流，给小磁块一个向上的磁场力，阻碍小磁块向下运动，因此小磁块在P中不是做自由落体运动，而塑料管Q中不会产生电磁感应现象，因此Q中小磁块做自由落体运动，A错误；P中磁场力对小磁块做负功，机械能不守恒，B错误；由于在P中小磁块下落的加速度小于g，而Q中小磁块做自由落体运动，因此从静止开始下落相同高度，在P中下落的时间比在Q中长，C 正确；根据动能定理可知，小磁块落到底部时在P 中的速度比在Q 中的小，D 错误．8．一个半径为r 、质量为m 、电阻为R 的金属圆环，用一根长为L 的绝缘细绳悬挂于O 点，离O 点下方L 2处有一宽度为L 4、垂直纸面向里的匀强磁场区域，如图所示．现使圆环从与悬点O 等高位置A 处由静止释放(细绳张直，忽略空气阻力)，摆动过程中金属环所在平面始终垂直磁场，则在达到稳定摆动的整个过程中，金属环产生的热量是 ( )A ．mgLB ．mg ⎝⎛⎭⎫L 2＋rC ．mg ⎝⎛⎭⎫34L ＋rD ．mg (L ＋2r )解析：选C 线圈在进入磁场和离开磁场时，磁通量发生变化，产生感应电流，机械能减少，最后线圈在磁场下面摆动，机械能守恒．在整个过程中减少的机械能转变为焦耳热，在达到稳定摆动的整个过程中，金属环减少的机械能为mg ⎝⎛⎭⎫34L ＋r ，C 正确．「能力提升练」1．一位物理老师用一段铜导线和一块磁铁演奏一曲《菊花台》的视频惊艳网友，网友直呼“史上最牛物理老师”．他是这么做的：在一块木板上固定两颗螺丝钉，用一段铜导线缠绕在两颗螺丝钉之间，扩音器通过导线与两螺丝钉连接．将磁铁放在铜导线旁边，手指拨动铜导线，另一只手握着螺丝刀压着铜导线，并在铜导线上滑动，优美动听的乐曲就呈现出来了．根据上面所给的信息，你认为下面说法正确的是( )A．手指拨动铜导线，铜导线的振动引起空气振动而发出声音B．手指拨动铜导线，使铜导线切割磁感线产生感应电流，电流通过扩音器放大后发声C．声音的音调变化是通过手指拨动铜导线力的大小来实现的D．手指拨动铜导线，铜导线中产生直流电流解析：选B手指拨动铜导线发声是由于铜导线切割磁感线产生感应电流，电流通过扩音器放大后发声，选项A错误，B正确；螺丝刀压着铜导线在铜导线上滑动，实质是改变铜导线切割磁感线的有效长度，从而改变感应电流，变化的电流通过导线传到扩音器中，便产生不同音调的声音，所以声音的音调变化不是通过手指拨动铜导线产生的，选项C错误；手指拨动铜导线，铜导线振动切割磁感线，根据法拉第电磁感应定律，铜导线中的感应电流大小、方向均改变，选项D错误．2．电磁炉热效率高达90%，炉面无明火，无烟无废气，“火力”强劲，安全可靠．图示是描述电磁炉工作原理的示意图，下列说法正确的是()A．当恒定电流通过线圈时，会产生恒定磁场，恒定磁场越强，电磁炉加热效果越好B．电磁炉通电线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作C．在锅和电磁炉中间放一纸板，则电磁炉不能起到加热作用D．电磁炉的锅不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅，主要原因是这些材料的导热性能较差解析：选B电磁炉线圈中通以交变电流，产生交变磁场，锅体中的涡流是由变化的磁场产生的，A选项错误，B选项正确；在锅和电磁炉中间放一纸板，不会影响电磁炉的加热作用，C选项错误；陶瓷锅或耐热玻璃锅属于绝缘材料，不会产生涡流，D选项错误．3．(2019·湖北模拟)随着科技的不断发展，无线充电已经进入人们的视线．小到手表、手机，大到电脑、电动汽车的充电，都已经实现了从理论研发到实际应用的转化．下图给出了某品牌的无线充电手机利用电磁感应方式无线充电的原理图．关于无线充电，下列说法正确的是()A．无线充电时手机接收线圈部分的工作原理是“电流的磁效应”B ．只有将充电底座接到直流电源上才能对手机进行充电C ．接收线圈中交变电流的频率与发射线圈中交变电流的频率相同D ．只要有无线充电底座，所有手机都可以进行无线充电解析：选C 无线充电时手机接收线圈部分的工作原理是电磁感应现象，A 选项错误；充电底座接直流电源时，无线充电设备不会产生交变磁场，不能够正常使用，B 选项错误；电磁感应现象不会改变电流的频率，接收线圈中交变电流的频率与发射线圈中交变电流的频率相同，C 选项正确；被充电手机内部，应该有一类似金属线圈的部件，与手机电池相连，当有交变磁场时，则出现感应电动势，因此普通手机不能够利用无线充电设备进行充电，D 选项错误．4.(多选)低频电涡流传感器可用来测量自动化生产线上金属板的厚度．如图，在线圈L 1中通以低频交流电，它周围会产生交变磁场，其正下方有一个与电表连接的线圈L 2，金属板置于L 1、L 2之间．当线圈L 1产生的变化磁场透过金属板，L 2中会产生感应电流．由于金属板厚度不同，吸收电磁能量强弱不同，导致L 2中感应电流的强弱不同，则( )A ．金属板吸收电磁能量，是由于穿过金属板的磁场发生变化，板中产生涡流B ．金属板越厚，涡流越弱C ．L 2中产生的是直流电D ．L 2中产生的是与L 1中同频率的交流电解析：选AD 当线圈L 1产生的变化磁场透过金属板，板中产生涡流，从而吸收电磁能量，A 选项正确；金属板越厚，产生的涡流越强，B 选项错误；根据电磁感应原理，L 2中产生的是与L 1中同频率的交流电，C 选项错误，D 选项正确．5.如图所示，在光滑的水平面上，有一半径r ＝10 cm 、电阻R ＝1 Ω、质量m ＝1 kg 的金属环以速度v ＝10 m/s 向一有界磁场滑去．匀强磁场方向垂直于纸面向里，磁感应强度B ＝0.5 T ．从环刚进入磁场算起，到刚好有一半进入磁场时，圆环释放了32 J 热量．求：(1)此时圆环中电流的瞬时功率；(2)此时圆环运动的加速度．解析：(1)由能量守恒m v 22＝Q ＋m v ′22而P ＝E 2R ＝(B ·2r ·v ′)2R二式联立可得P ＝0.36 W.(2)a ＝BIL m ＝B 2(2r )2v ′mR＝6×10－2 m/s 2，方向向左． 答案：(1)0.36 W (2)6×10－2 m/s 2，方向向左6．如图所示，质量为m ＝100 g 的铝环，用细线悬挂起来，环中央距地面高度h ＝0.8 m ，有一质量为M ＝200 g 的小磁铁(长度可忽略)，以v 0＝10 m/s 的水平速度射入并穿过铝环，落地点距铝环原位置的水平距离为3.6 m ，则磁铁与铝环发生相互作用时(小磁铁穿过铝环后的运动看做平抛运动)：(1)铝环向哪边偏斜？(2)若铝环在磁铁穿过后速度为v ′＝2 m /s ，在磁铁穿过铝环的整个过程中，环中产生了多少电能？(g ＝10 m/s 2)解析：(1)由楞次定律可知，当小磁铁向右运动时，铝环向右偏斜(阻碍相对运动)．(2)由能量守恒可得：由磁铁穿过铝环后做平抛运动，设飞行的水平距离为x ，根据h ＝12gt 2，x ＝v t 可求出穿过后的速度v ＝x ·g 2hm /s ＝9 m/s E 电＝12M v 02－12M v 2－12m v ′2＝1.7 J. 答案：(1)铝环向右偏斜 (2)1.7 J。