高中物理人教版 (2019)选择性必修 第二册3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动学案

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1.了解感生电场的概念，了解电子感应加速器的工作原理.
2.理解涡流的产生原理，了解涡流在生产和生活中的应用.
科学探究
1.理解电磁阻尼和电磁驱动的原理，了解其在生产和生活中的应用．
一、电磁感应现象中的感生电场
1．感生电场
一个闭合回路静止于磁场中,由于磁场强弱的变化,闭合电路内将会产生感应电动势。麦克斯韦认为：磁场变化时会在空间激发一种电场，这种电场叫作感生电场．
2．感生电动势
由感生电场产生的电动势叫感生电动势．
3. 感生电场的方向:与所产生的感应电流的方向相同,可根据楞次定律和安培定则判断。
4．电子感应加速器
电子感应加速器是利用感生电场使电子加速的设备，当电磁铁线圈中电流的大小、方向发生变化时，产生的感生电场使电子加速．
二、涡流
1．涡流：当线圈中的电流随时间变化时，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，所以把它叫作涡电流，简称涡流．
2．涡流大小的决定因素：磁场变化越快(eq \f(ΔB,Δt)越大)，导体的横截面积S越大，导体材料的电阻率越小，形成的涡流就越大．
3．特点:若金属电阻率很小,则涡流往往很强,产生的热量很多。
4．应用
(1)热效应: 真空冶炼炉, 电磁炉。
(2)磁效应: 探雷器, 安检门。
5．防止:电动机、变压器等设备中应防止铁芯中涡流过大而导致浪费能量,损坏电器。
(1)途径一:增大铁芯材料的电阻率。
(2)途径二:用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯代替整块硅钢铁芯
三、电磁阻尼
当导体在磁场中运动时，感应电流会使导体受到安培力，安培力的方向总是阻碍导体的运动，这种现象称为电磁阻尼．
应用:磁电式电流表中利用电磁阻尼使指针迅速停止到某位置,便于读数。
四、电磁驱动
若磁场相对于导体转动，在导体中会产生感应电流，感应电流使导体受到安培力的作用，安培力使导体运动起来，这种作用常常称为电磁驱动．
应用:交流感应电动机。
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．( × )
一、电磁感应现象中的感生电场
如图1所示，B增强时，就会在空间激发一个感生电场E.如果E处空间存在闭合导体，导体中的自由电荷就会在电场力的作用下定向移动，而产生感应电流．
图1
(1)感生电场的方向与感应电流的方向有什么关系？如何判断感生电场的方向？
(2)上述情况下，哪种作用扮演了非静电力的角色？
答案 (1)感应电流的方向与正电荷定向移动的方向相同．感生电场的方向与正电荷受力的方向相同，因此，感生电场的方向与感应电流的方向相同，感生电场的方向可以用楞次定律来判定．
(2)感生电场对自由电荷的作用．
1．变化的磁场周围产生感生电场，与闭合电路是否存在无关．如果在变化的磁场中放一个闭合电路，自由电荷在感生电场的作用下发生定向移动．
2．感生电场可用电场线形象描述．感生电场是一种涡旋电场，电场线是闭合的，而静电场的电场线不闭合．
3．感生电场的方向根据楞次定律用右手螺旋定则判断，感生电动势的大小由法拉第电磁感应定律E＝neq \f(ΔΦ,Δt)计算．
特别提示 感生电场力虽然是电场力但不是静电力。它是一种非静电力。
例1 著名物理学家费曼曾设计过这样一个实验装置:一块绝缘圆板可绕其中心的光滑轴自由转动,在圆板的中部有一个线圈,圆板的四周固定着一圈带电的金属小球,如图所示。当线圈接通电源后,将有图示方向的电流流过,则下列说法正确的是( )
A.接通电源瞬间,圆板不会发生转动
B.线圈中电流的增大或减小都会引起圆板向与线圈中电流方向相同的方向转动
C.接通电源后,保持线圈中电流不变,圆板转动方向与线圈中电流流向相同
D.若金属小球带负电,接通电源瞬间圆板转动方向与线圈中电流流向相同
答案 D
解析 线圈接通电源瞬间,变化的磁场产生电场,从而导致带电小球受到电场力,使其转动,故A错误;线圈中电流增大或减小都会引起磁场的变化,从而产生电场,使小球受到电场力,从而转动,但由于电场力与电荷带正负电有关,故B错误;接通电源后,保持线圈中电流不变,则磁场不变,不会产生电场,小球不受到电场力,故C错误;接通电源瞬间小球受到电场力作用而转动,由于金属小球带负电,故圆盘转动方向与线圈中电流流向相同,故D正确。
判断感生电场方向的思路
例2 现代科学研究中常用到高速电子,电子感应加速器就是利用感生电场加速电子的设备,如图甲。电子感应加速器主要有上、下电磁铁磁极和环形真空盒组成。当电磁铁绕组通以变化的电流时,产生变化的磁场,穿过真空盒所包围的区域内的磁通量也随时间变化,这时真空盒空间内就产生感应涡旋电场,电子将在涡旋电场作用下加速。如图乙所示(上图为侧视图、下图为真空盒的俯视图),若电子被“约束”在半径为R的圆周上运动,当电磁铁绕组通有图中所示的电流时( )

甲 乙
A.若电子沿逆时针运动,保持电流的方向不变,当电流增大时,电子将加速
B.若电子沿顺时针运动,保持电流的方向不变,当电流增大时,电子将加速
C.若电子沿逆时针运动,保持电流的方向不变,当电流减小时,电子将加速
D.被加速时电子做圆周运动的周期不变
答案 A
解析 当电磁铁绕组通有题图中所示的电流时,由安培定则可知将产生向上的磁场,当电磁铁绕组中电流增大时,根据楞次定律和安培定则可知,这时真空盒空间内产生顺时针方向的感生电场,电子沿逆时针运动,电子将加速,选项A正确,选项B、C错误;由于电子被“约束”在半径为R的圆周上运动,被加速时电子做圆周运动的周期减小,选项D错误。
二、涡流
如图4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？
图4
答案 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．
1．产生涡流的两种情况
(1)块状金属放在变化的磁场中．
(2)块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动．
2．产生涡流时的能量转化
(1)金属块在变化的磁场中，磁场能转化为电能，最终转化为内能．
(2)金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动，由于克服安培力做功，金属块的机械能转化为电能，最终转化为内能．
特别提示 (1)涡流是整块导体发生的电磁感应现象,同样遵循法拉第电磁感应定律。
(2)磁场变化越快(ΔBΔt越大),导体的横截面积S越大,导体材料的电阻率越小,形成的涡流就越强。
3．涡流的应用与防止
(1)应用：真空冶炼炉、探雷器、安检门等．
(2)防止：为了减小电动机、变压器铁芯上的涡流，常用电阻率较大的硅钢做材料，而且用相互绝缘的硅钢片叠成铁芯来代替整块硅钢铁芯．
例3 (多选)高频焊接原理示意图如图所示,线圈通以高频交变电流,金属工件的焊缝中就产生大量焦耳热,将焊缝熔化焊接,要使焊接处产生的热量较大可( )
A.增大交变电流的电压
B.增大交变电流的频率
C.增大焊接缝的接触电阻
D.减小焊接缝的接触电阻
答案 ABC
解析 增大交变电流的电压和交变电流的频率均可使电流的变化率增大,由E=nΔΦΔt知,感应电动势和涡流均增大,焊接处的发热功率增大,若增大焊接缝的接触电阻,则焊接处的电压、功率分配就增大,产生的热量就会增大,故A、B、C正确,D错误。
针对训练1 (多选)“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:当接通电源时,内置线圈产生磁场,当磁感线穿过封口铝箔材料时,瞬间产生大量小涡流,致使铝箔自行快速发热,熔化复合在铝箔上的溶胶,从而粘贴在待封容器的封口处,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.该封口机可用干电池作为电源以方便携带
C.封口过程中温度过高,可适当减小所通电流的频率
D.该封口机适用于玻璃、塑料等多种材质的容器封口,但不适用于金属容器
答案 CD
解析 由于封口机利用了电磁感应原理,故封口材料必须是金属类材料,而且电源必须是交流电源,A、B错误;减小内置线圈中所通电流的频率可降低封口过程中产生的热量,即控制温度,C正确;封口材料应是金属类材料,但对应被封口的容器不能是金属,否则同样会被熔化,只能是玻璃、塑料等材质,D正确。
三、电磁阻尼和电磁驱动
弹簧上端固定，下端悬挂一个磁体．将磁体托起到某一高度后放开，磁体能上下振动较长时间才停下来．如果在磁体下端放一个固定的闭合线圈，使磁体上下振动时穿过它(如图6所示)，磁体就会很快停下来，解释这个现象．
图6
答案 当磁体穿过固定的闭合线圈时，在闭合线圈中会产生感应电流，感应电流的磁场会阻碍磁体靠近或离开线圈，也就使磁体振动时除了受空气阻力外，还要受到线圈的磁场阻力，克服阻力需要做的功较多，机械能损失较快，因而会很快停下来．
电磁阻尼和电磁驱动的比较
特别提示 (1)电磁阻尼、电磁驱动都是电磁感应现象,都遵循楞次定律。
(2)电磁阻尼、电磁驱动现象中安培力的作用效果都是阻碍相对运动,应注意电磁驱动中阻碍的结果。若磁铁运动,线圈中产生感应电流的结果是安培力的方向与磁铁运动方向相同,即电磁驱动;若磁场不动,线圈运动,则产生感应电流的结果是阻碍线圈运动,即电磁阻尼。
例4 如图所示,弹簧上端固定,下端挂一个条形磁体,使磁体上下振动,磁体的振动幅度不变。若在振动过程中把线圈靠近磁体,观察磁体的振幅将会发现( )
A.S闭合时振幅逐渐减小,S断开时振幅不变
B.S闭合时振幅逐渐增大,S断开时振幅不变
C.S闭合或断开,振幅变化相同
D.S闭合或断开,振幅都不发生变化
答案 A
解析 S断开时,磁体振动,穿过线圈的磁通量发生变化,线圈中无感应电流,振幅不变;S闭合时有感应电流,有电能产生,磁体的机械能越来越少,振幅逐渐减小。选项A正确。
例5 (多选)如图所示,条形磁体位于固定的半圆光滑轨道的圆心位置。一半径为R、质量为m的金属球从半圆轨道的一端沿半圆轨道由静止下滑。重力加速度大小为g。下列说法正确的是( )
A.金属球会运动到半圆轨道的另一端
B.由于金属球没有形成闭合电路,所以金属球中不会产生感应电流
C.金属球受到的安培力做负功
D.系统产生的总热量为mgR
答案 CD
解析 在金属球运动的过程中,穿过金属球的磁通量不断变化,在金属球内形成闭合回路,产生涡流,金属球受到的安培力做负功,金属球产生的热量不断增加,机械能不断减少,直至金属球停在半圆轨道的最低点,C正确,A、B错误;根据能量守恒定律得系统产生的总热量为mgR,D正确。
电磁阻尼、电磁驱动都是楞次定律“阻碍”的体现．阻碍磁通量的变化，阻碍导体与磁场的相对运动．
1.(电磁感应中的感生电场)在如图所示的四种磁场情况中能产生恒定的感生电场的是( )
答案 C
解析 恒定的感生电场由均匀变化的磁场产生,C正确。
2.(电磁驱动)内壁光滑的塑料管弯成的圆环平放在水平桌面上,环内有一带负电的小球,整个装置处在竖直向下的磁场中,如图所示。当磁场突然增强时,小球( )
A.沿顺时针方向运动
B.沿逆时针方向运动
C.在原位置附近往复运动
D.仍保持静止状态
答案 A
解析 磁场突然增强时,激发出逆时针方向的感生电场,对负电荷的作用力为顺时针,故小球沿顺时针方向运动。
3.(电磁阻尼)如图所示,使一个铜盘绕其竖直的轴OO'转动,且假设摩擦等阻力不计,转动是匀速的。现把一个蹄形磁铁移近铜盘,则( )
A.铜盘转动将变慢
B.铜盘转动将变快
C.铜盘仍以原来的转速转动
D.铜盘转动速度是否变化,要根据磁铁的上、下两端的极性来决定
答案 A
解析 当一个蹄形磁铁移近铜盘时,铜盘转动切割磁感线,产生感应电流,由楞次定律可知感应电流所受的安培力阻碍其相对运动,所以铜盘转动将变慢。本题也可以从能量守恒的角度去分析,因为铜盘转动切割磁感线,产生感应电流,铜盘的机械能不断转化成电能,铜盘转动会逐渐变慢。选项A正确。
4.(涡流)(多选)机场的安检门可以利用涡流探测人身上携带的金属物品。安检门中接有线圈,线圈中通以交变电流,关于其工作原理,下列说法正确的是( )
A.人身上携带的金属物品会被地磁场磁化,在线圈中产生感应电流
B.人体在通有交变电流的线圈产生的磁场中运动,产生感应电动势并与金属物品构成回路产生感应电流
C.线圈产生的交变磁场会在金属物品中产生交变的感应电流
D.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
答案 CD
解析 地磁场很弱,即使金属物品被磁化,磁性也很弱,作为导体的人体电阻很大,且一般不会与金属物品构成回路,选项A、B错误;安检门利用涡流探测金属物品的工作原理是线圈中的交变电流产生交变磁场,使金属物品中产生涡流,选项C正确;该涡流产生的磁场又会在线圈中产生感应电流,而线圈中交变电流的变化可以被检测,选项D正确。
5.(涡流)电磁炉热效率高达90%,炉面无明火,无烟无废气,电磁“火力”强劲,安全可靠。如图所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.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
D.在锅和电磁炉中间放一纸板,则电磁炉不能起到加热作用
答案 B
解析 电磁炉是采用涡流感应加热的,其内部电子线路板组成部分产生交变磁场。当把铁质锅具底部放置在炉面时,锅具底部金属部分产生涡流,而产生热量,从而达到煮食的目的,故A错误,B正确;电磁炉工作时需要在锅底产生感应电流,陶瓷锅或耐热玻璃锅不属于金属导体,不能产生感应电流,C错误;通电线圈产生的磁场能穿透纸板到达锅底,在锅底产生感应电流,利用电流的热效应起到加热作用,D错误。
一、选择题(第1~4题为单选题,第5~6题为多选题)
1.金属探测器已经广泛应用于安检场所,下列关于金属探测器的说法正确的是( )
A.金属探测器可用于食品生产,防止细小的砂石颗粒混入食品中
B.金属探测器探测地雷时,探测器的线圈中产生涡流
C.金属探测器探测金属时,被测金属中感应出涡流
D.探测过程中金属探测器必须与被测物体相对运动
答案 C
解析 金属探测器只能探测金属,不能探测细小的砂石颗粒,选项A错误。金属探测器探测金属时,被测金属中感应出涡流,选项B错误,C正确。探测过程中金属探测器本身会产生变化的磁场,不用必须与被测物体相对运动,故选项D错误。
2.如图所示,在蹄形磁体的两极间有一可以自由转动的铜盘(不计各种摩擦),现让铜盘转动。下面对观察到的现象描述及解释正确的是( )
A.铜盘中没有感应电动势、没有感应电流,铜盘将一直转动下去
B.铜盘中有感应电动势、没有感应电流,铜盘将一直转动下去
C.铜盘中既有感应电动势又有感应电流,铜盘将很快停下
D.铜盘中既有感应电动势又有感应电流,铜盘将越转越快
答案 C
解析 铜盘转动时,根据法拉第电磁感应定律及楞次定律知,盘中有感应电动势,也产生感应电流,并且受到阻尼作用,机械能很快转化为电能进而转化为焦耳热,铜盘将很快停下,故选项C正确,A、B、D错误。
3.高频感应炉是用来熔化金属对其进行冶炼的,右图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
答案 C
解析 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。故选项C正确,A、B、D错误。
4.如图所示,一个半圆形铝框处在水平向外的非匀强磁场中,场中各点的磁感应强度为By=B0y+c,y为该点到地面的距离,c为常数,B0为一定值。铝框平面与磁场垂直,直径ab水平,(空气阻力不计)铝框由静止释放下落的过程中( )
A.直径ab受安培力方向与框的运动方向相同,为动力
B.半圆弧ab受安培力方向与框的运动方向相反,为阻力
C.铝框下落的加速度大小一定小于重力加速度g
D.铝框下落加速度大小可能等于g
答案 C
解析 铝框由静止释放下落的过程中,由楞次定律得铝框有顺时针方向的电流,由左手定则得直径ab受安培力方向为竖直向上,与框的运动方向相反,为阻力,选项A错误。在半圆弧ab上等高且左右对称的位置分别取一段电流元,由对称性和力的平行四边形定则得,这两段电流元所受安培力的合力竖直向下,所以半圆弧ab受的安培力竖直向下,与框的运动方向相同,为动力,选项B错误。由于离地面距离大,所处位置磁感应强度小,半圆弧ab受的安培力没有直径ab受的安培力大,所以整个铝框所受合力竖直向上,即铝框下落的加速度大小一定小于重力加速度g,选项C正确,D错误。
5.关于感生电动势和动生电动势的比较,下列说法正确的是 ( )
A.感生电动势是由于变化的磁场产生了感生电场,感生电场对导体内的自由电荷产生作用而使导体两端出现的电动势
B.动生电动势是由于导体内的自由电荷随导体棒一起运动而受到洛伦兹力的作用产生定向移动,使导体棒两端出现的电动势
C.在动生电动势产生的过程中,洛伦兹力对自由电荷做功
D.感生电动势和动生电动势产生的实质都是由于磁通量的变化引起的
答案 ABD
解析 由感生电动势和动生电动势的产生原理可知,选项A、B正确。在动生电动势产生的过程中,某一方向上的洛伦兹力对自由电荷做正功,另一方向上的洛伦兹力对自由电荷做负功,整体上,洛伦兹力不做功,选项C错误。感生电动势和动生电动势实质上都是电磁感应现象中产生的电动势,都是由于磁通量的变化引起的,选项D正确。
6.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
B.这个安检门只能检查出金属物品
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
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
答案 BD
解析 这个安检门是利用涡流工作的,因而只能检查出金属物品,选项A错误,B正确。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,选项C错误。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,选项D正确。
二、非选择题
7.如图所示,一狭长的铜片能绕O点在纸平面内摆动,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?
答案 没有开长缝的铜片在磁场中摆动时,铜片内将产生较大的涡流,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,就可以把涡流限制在缝与缝之间的各部分铜片上,较大地削弱了涡流,阻力随之减小,所以铜片可以摆动多次后才停止摆动。
一、选择题(第1~3题为单选题,第4~6题为多选题)
1.(2023·浙江卷)如图甲所示,一导体杆用两条等长细导线悬挂于水平轴OO',接入电阻R构成回路。导体杆处于竖直向上的匀强磁场中,将导体杆从竖直位置拉开小角度由静止释放,导体杆开始下摆。当R=R0时,导体杆振动图像如图乙所示。若横、纵坐标皆采用图乙标度,则当R=2R0时,导体杆振动图像是( )
答案 B
解析 导体杆切割磁感线时,回路中产生感应电流,由楞次定律可得,导体杆受到的安培力总是阻碍导体杆的运动。当电阻R从R0变为2R0时,回路中的电阻增大,则电流减小,导体杆所受安培力减小,即导体杆在摆动时所受的阻力减弱,所以杆从开始摆动到停止,运动的路程和经历的时间变长,选项B正确,A、C、D错误。
2.下图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的,它利用变化的电流通过线圈产生变化的磁场,当变化的磁场通过含铁质锅的底部时,即会产生无数小涡流,使锅体本身自行高速升温,然后再加热锅内食物。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
答案 B
解析 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,选项A、D错误,B正确。使食物中的极性水分子振动和旋转来对食物加热是微波炉的加热原理,选项C错误。
3.随着科技的不断发展,无线充电已经进入人们的视线。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
答案 C
解析 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,选项A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,选项B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,选项C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,选项D错误。
4.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.增加线圈的匝数
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
答案 AB
解析 根据法拉第电磁感应定律E=nΔΦΔt知,增加线圈的匝数n,提高交流电源的频率即缩短交流电源的周期(相当于减小Δt),这两种方法都能使感应电动势增大,故选项A、B正确。将金属杯换为瓷杯,则没有闭合电路,也就没有感应电流,故选项C错误。取走线圈中的铁芯,则使线圈中的磁场大大减弱,则磁通量的变化率减小,感应电动势减小,故选项D错误。
5.如图所示,在内壁光滑、水平放置的玻璃圆环内,有一直径略小于圆环口径的带正电的小球,正以速率v0沿逆时针方向匀速转动。若在此空间突然加上方向竖直向上、磁感应强度B随时间成正比例增加的变化磁场,设运动过程中小球的电荷量不变,那么( )
A.小球对玻璃圆环的压力不断增大
B.小球受到的磁场力不断增大
C.小球先沿逆时针方向做减速运动,过一段时间后,沿顺时针方向做加速运动
D.磁场力对小球一直不做功
答案 CD
解析 因为玻璃圆环所在处有均匀变化的磁场,在周围产生稳定的涡旋电场,对带正电的小球做功,由楞次定律可判断感生电场方向为顺时针方向,在电场力作用下,小球先沿逆时针方向做减速运动,后沿顺时针方向做加速运动,选项C正确。小球在水平面内沿轨迹半径方向受环的弹力FN和磁场力F,而且两个力的矢量和时刻等于小球做圆周运动的向心力,由于小球速度大小的变化、方向的变化以及磁场强弱的变化,弹力FN和磁场力F不一定始终在增大,选项A、B错误。磁场力始终与圆周运动的线速度方向垂直,所以磁场力对小球不做功,选项D正确。
6.涡流检测是工业上无损检测的方法之一。如图所示,线圈中通以一定频率的正弦交变电流,靠近待测工件时,工件内会产生涡流,同时线圈中的电流受涡流影响也会发生变化。下列说法正确的是( )
A.涡流的磁场总是要阻碍穿过工件磁通量的变化
B.涡流的频率等于通入线圈的交变电流的频率
C.通电线圈和待测工件间存在周期性变化的作用力
D.待测工件可以是塑料或橡胶制品
答案 ABC
解析 涡流是感应电流,涡流的磁场总是阻碍穿过工件的磁通量的变化,而且涡流的频率与线圈中交变电流的频率相等,选项A、B正确。因待测工件中的涡流与通电线圈中的电流具有相同频率,因此二者间必有周期性的作用力,选项C正确。涡流只能在金属制品中产生,选项D错误。
二、非选择题
7.如图所示,光滑弧形轨道和一足够长的光滑水平轨道相连,水平轨道上方有一足够长的金属杆,杆上挂有一光滑螺线管A。在弧形轨道上高为h的地方,无初速度释放一磁体B(可视为质点),B下滑至水平轨道时恰好沿螺线管A的中心轴运动,设A、B的质量分别为mA、mB,若最终A、B速度分别为vA、vB。
(1)螺线管A将向哪个方向运动?
(2)全过程中整个电路所消耗的电能是多少?
答案 (1)向右运动
(2)mBgh-12mAvA2-12mBvB2
解析 (1)磁体B向右运动时,螺线管中产生感应电流,感应电流产生电磁驱动作用,使得螺线管A向右运动。
(2)全过程中,磁体减少的重力势能转化为A、B的动能和螺线管中的电能,所以
mBgh=12mAvA2+12mBvB2+E电
即E电=mBgh-12mAvA2-12mBvB2。
电磁阻尼
电磁驱动
不
同
点
成因
由导体在磁场中运动形成的
由磁场运动而形成的
效果
安培力方向与导体运动方向相反，为阻力
安培力方向与导体运动方向相同，为动力
能量
转化
克服安培力做功，其他形式的能转化为电能，最终转化为内能
磁场能转化为电能，通过安培力做功，电能转化为导体的机械能
共同点
两者都是电磁感应现象，导体受到的安培力都是阻碍导体与磁场间的相对运动