物理第五节 涡流现象及其应用优秀课后练习题

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，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

2．如图所示，电磁炉是利用感应电流（涡流）的加热原理工作的。下列关于电磁炉的说法，正确的是（　　）

A．电磁炉可用陶瓷器皿作为锅具对食品加热

B．电磁炉面板采用陶瓷材料，发热部分为铁锅底部

C．电磁炉面板采用金属材料，通过面板涡流发热传导到锅里，再加热锅内食品

D．电磁炉的锅具一般不用铜锅，是因为铜锅中不能形成涡流

3．1831年，法拉第发现了电磁感应现象，并制作了世界上第一台发电机，揭开了人类进入电气时代的序幕。现在，日常生活中我们使用着大量的用电器，下列用电器使用电能的过程中，用到电磁感应原理的是（　　）

A．洗衣机 B．电磁炉 C．电热水器 D．电风扇

4．安检门原理图如图所示，左边门框中有一通电线圈，右边门框中有一接收线圈。若工作过程中某段时间内通电线圈中存在顺时针方向（左视图）均匀增大的电流，则下列说法正确的是（电流方向判断均从左向右观察）（　　）

A．有金属片通过时，金属片中会感应出涡流

B．有金属片通过时，接收线圈中的感应电流的方向可能改变

C．无金属片通过时，接收线圈中的感应电流的方向为顺时针

D．无金属片通过时，接收线圈中的感应电流可能逐渐减小

5．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

6．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

7．目前金属探测器已经广泛应用于地铁站、火车站、高考考场等重要场所的安检。关于金属探测器，下列有关论述正确的是（　　）

A．金属探测器可用于月饼生产中，用来防止金属颗粒混入月饼馅中

B．金属探测器能帮助医生探测儿童吞食或扎到手脚中的金属物，是因为探测器的线圈中能产生涡流

C．使用金属探测器的时候，应该让探测器静止不动，探测效果会更好

D．能利用金属探测器检测考生是否携带手机等违禁物品，是因为探测器的线圈中通有直流电

8．如图所示为高频电磁炉的工作示意图。电磁炉工作时产生的电磁波，完全被线圈底部的屏蔽层和顶板上的含铁质锅所吸收，不会泄漏，对人体健康无危害。关于电磁炉，以下说法正确的是（  ）

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的

B．电磁炉是利用变化的磁场在含铁质锅底部产生涡流，使含铁质锅底迅速升温，进而对锅内食物加热的

C．电磁炉是利用变化的磁场使食物中的极性水分子振动和旋转来对食物加热的

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的

9．生活处处有物理，留心观察皆学问，下列图中与电磁感应现象无关的是（　　）

A． 电视机显像管中电子的偏转

B．摇绳发电

C．金属探测器

D． 真空冶炼炉

10．下列现象中利用的原理不是利用电磁感应的是（　　）

A．如图甲所示，真空冶炼炉外有线圈，线圈中通入高频交流电，炉内的金属能迅速熔化

B．如图乙所示，安检门可以检测金属物品，如携带金属刀具经过时，会触发报警

C．如图丙所示，放在磁场中的玻璃皿内盛有导电液体，其中心放一圆柱形电极，边缘内壁放一环形电极，通电后液体就会旋转起来

D．如图丁所示，用一蹄形磁铁接近正在旋转的铜盘，铜盘很快静止下来

11．如图所示，这是机场、车站等场所的安检人员用手持金属探测器检查乘客的情形，其基本原理是当探测线圈靠近金属物体时，会在金属物体中感应出电流。下列科技实例的工作原理，与金属探测器的工作原理不同的是（　　）

A．真空冶炼炉 B．交流感应电动机

C．回旋加速器 D．电子感应加速器

12．法拉第发现了磁生电的现象，不仅推动了电磁理论的发展，而且推动了电磁技术的发展，引领人类进入了电气时代。下列哪些器件工作时用到了磁生电的现象（　　）

A．电视机的显像管 B．磁流体发电机

C．指南针 D．电磁炉

13．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

14．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．减少线圈的匝数 B．提高交流电源的频率 C．将金属杯换为瓷杯 D．取走线圈中的铁芯

15．涡流、电磁驱动和电磁阻尼都是电磁感应现象，三者常常有紧密联系。下列说法正确的是（　　）

A．图甲中，如果在上下振动的磁铁下固定一个铝板，磁铁会很快静止下来，这属于电磁阻尼现象

B．图甲中，如果在上下振动的磁铁下固定一个铝板，磁铁振动时，铝板中会产生涡流，涡流对磁铁总有排斥作用

C．图乙中，竖直放置的蹄形磁铁转动后，同轴的闭合线圈会同向转动，这属于电磁阻尼现象

D．图乙中，蹄形磁铁匀速转动时间足够长，闭合线圈的转速可以大于蹄形磁铁的转速

二、填空题

16．手机是利用_______传送信号的；电磁炉是利用________加热的；医院里常用的CT检查是利用_________来成像的．

17．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。

18．电磁灶是利用________原理制成的，它在灶内通过交变电流产生交变磁场，使放在灶台上的锅体内产生________而发热．

19．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)

三、解答题

20．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)

21．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。

22．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？

23．如图所示是利用高频交流焊接自行车零件的原理图，其中外圈A是通过高频交流电的线圈，B是自行车的零件，a是待焊接的接口，焊口两端接触在一起。当A中通有交变电流时，B中会产生感应电流，使得接口处的金属熔化而焊接起来，问：

（1）为什么在其他条件不变的情况下，交变电流的频率越高，焊接得越快；

（2）为什么焊接过程中，接口a处已经熔化而零件的其他部分并不很热。

24．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.

参考答案：

1．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。

2．B

【详解】

A. 电磁炉不可用陶瓷器皿作为锅具对食品加热，因为陶瓷锅不能产生涡流，A错误；

BC. 为了让面板不发热，电磁炉面板采用陶瓷材料；铁锅产生涡流，发热部分为铁锅底部和侧壁，直接加热锅内食品，B正确C错误；

D. 电磁炉的锅具一般不用铜锅，是因为铁磁性材料的磁化性质加强了涡流的效果，铜锅能产生但是效果不明显，D错误。

故选B。

3．B

【详解】

AD．洗衣机和电风扇中的电动机利用的是通电导体在磁场中会受到力的作用，故AD不符合题意；

B．电磁炉的原理是交变电流产生的交变磁场使金属容器中产生涡流，从而使容器产生热量，所以电磁炉利用了电磁感应原理，故B符合题意；

C．电热水器利用的是电流的热效应，故C不符合题意。

故选B。

4．A

【详解】

A．通电线圈中的电流均匀增大，则产生的磁场均匀增大，有金属片通过时，穿过金属片中的磁通量均匀增大，金属片中会感应出涡流，故A正确；

B．金属片中涡流的磁场与通电线圈中产生的磁场方向相反，虽然会对接收线圈中磁通量的增大有一定的阻碍作用，但不能阻止接收线圈中磁通量增大，所以接收线圈中的感应电流的方向不会改变，故B错误；

CD．无金属片通过时，接收线圈中的磁通量由左向右均匀增大，根据楞次定律可知感应电流的方向为逆时针，根据法拉第电磁感应定律可知接收线圈中的感应电动势不变，感应电流不变，故CD错误。

故选A。

5．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。

6．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。

7．A

【详解】

ABD．金属探测器是通过其通有交流电的探测线圈，在隐藏金属中激起涡流，反射回探测线圈，从而改变原交流电的大小和相位，从而起到探测作用，A正确，B、D错误；

C．当探测器对于被测金属发生相对移动时，探测器中线圈的交流电产生的磁场相对变化较快，在金属中产生的涡流会更强，检测效果更好，C错误。

故选A。

8．B

【详解】

电磁炉的工作原理是利用变化的电流通过线圈产生变化的磁场，变化的磁场通过含铁质锅的底部产生无数小涡流，使锅体温度升高后加热食物。

故选B。

9．A

【详解】

电子束偏转是利用电子在电场、磁场中受力，与电磁感应无关，其余三场景与电磁感应有关，故A正确，BCD错误。

故选A。

10．C

【详解】

A．真空冶炼炉外中的线圈中通有高频交流电，从而在线圈中产生很强的变化的电磁场，最终导致炉内金属产生涡流，使得金属到达很高的温度从而熔化，利用了电磁感应的原理，故A正确，不符合题意；

B．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的磁场，会在金属物品中产生变化的感应电流，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，即利用了电磁感应的原理来工作，故B正确，不符合题意；

C．放在磁场中的玻璃皿内盛有导电液体，其中心放一圆柱形电极，边缘内壁放一环形电极，从而使得圆柱形电极与边缘形成电流，电流在磁场中受到安培力的作用而发生转动，不是利用电磁感应的原理，故C错误，符合题意；

D．用一蹄形磁铁接近正在旋转的铜盘，铜盘内部将会产生涡流，从而会很快静止下来，利用了电磁感应的原理，故D正确，不符合题意；

故选C。

11．C

【详解】

A．用来冶炼合金钢的真空冶炼炉，炉外绕有线圈，线圈中通有高频电流，产生的变化磁场使炉内的金属中产生涡流；从而使金属的温度升高来冶炼高质量的合金，A不符合题意；

B．交流感应电动机是利用通电导线在磁场中受到安培力作用，属于电磁驱动原理工作的， B不符合题意；

C．回旋加速器的原理是利用带电粒子在交变电场中加速，在磁场中偏转的原理制成的，没利用电磁感，C符合题意；

D．感应加速器是利用感生电场对电子加速的设备，D不符合题意。

故选C。

12．D

【详解】

A．电视机的显像管时利用运动电荷在磁场中受到洛伦兹力而发生偏转的，A错误；

B．磁流体发电机是利用运动电荷在磁场中受到洛伦兹力作用，发生偏转，将等离子体的内能转化为电能，不是磁生电的现象，B错误；

C．指南针是受到地磁场作用而偏转指示南北方向的，不是磁生电的现象，C错误；

D．电磁炉是利用交变电流产生的变化磁场在金属锅底激发出涡流而工作的，即用到了磁生电的现象，D正确。

故选D。

13．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。

14．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．取走铁芯磁场减弱，则加热时间变长，故D错误。

故选B。

15．A

【详解】

AB．图甲中，磁铁振动时铝板中磁通量会发生变化，会产生感应电流即涡流，根据楞次定律，涡流对磁铁运动有阻碍作用，即靠近时排斥，远离时吸引，这是电磁阻尼的具体实例，故A正确，B错误；

CD．图乙中，蹄形磁铁逆时针转动时，穿过闭合线圈的磁通量会变化，会产生感应电流，感应电流阻碍它们之间的相对运动，所以同轴的闭合线圈也逆时针转动，这是电磁驱动；闭合线圈的转速一定小于蹄形磁铁的转速，不然就不会有感应电流，也就不会有动力，故CD错误；

故选A。

16．     电磁波；     涡流；     X射线

【详解】

手机是利用电磁波传送信号的；电磁炉是利用涡流加热的；医院里常用的CT检查是利用X射线来成像的．

17．     快     大     大     小

【详解】

略

18．电磁感应、涡流

【详解】

电磁灶是利用电磁感应原理制成的；产生热量的原因是利用交变电流产生交变磁场，使放在灶台上的锅体内产生的涡流而将电磁能转化为热量；

【点睛】

电磁感应在生活中的应用很多，而电磁灶就是利用电磁感应原理制作而成的．

19．     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.

20．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．

21．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。

22．（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

23．（1）磁通量变化率大，感应电动势和感应电流都变大，热功率也随着变大；（2）接口处电阻大，串联电路中电流强度处处相等，电阻大的地方生热较多

【详解】

（1）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；

（2）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。

24．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。