人教版 (2019)选择性必修 第二册第二章 电磁感应3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动课时练习

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19世纪60年代，英国物理学家麦克斯韦在他的电磁场理论中指出：磁场变化时能在周围空间激发电场，这种电场与静电场不同，它不是由电荷产生的，我们把它叫作感生电场。
2. 感生电动势
磁场变化时会在周围空间激发感生电场，处在感生电场中的闭合导体中的自由电荷在感生电场的作用下做定向移动，产生感应电流，或者说，导体中产生了感应电动势。由感生电场产生的电动势叫作感生电动势。
(1)感生电动势的大小可由法拉第电磁感应定律求解，公式为E=nΔΦΔt。
(2)感生电动势的方向与感生电场的方向相同，与感应电流的方向相同。
二、涡流
块状金属在匀强磁场中运动时，穿过金属块的磁通量不变，金属块中不产生涡流。
三、电磁阻尼
四、电磁驱动
如图所示，转动手柄时，蹄形磁体转动，穿过铝框的磁通量发生变化，根据楞次定律可知，此时铝框中有感应电流产生，以阻碍磁通量的变化，因而铝框就随磁体的转动而转动，转动方向与磁体的转动方向相同，但一定比磁体转动得慢一些。
五、对涡流的理解
1. 涡流的本质
涡流的本质是由于电磁感应而产生的感应电流，与一般导体或线圈的最大区别是金属块内自成闭合回路，但它同样遵循法拉第电磁感应定律。
2. 产生涡流的两种情况
(1)把金属块放在变化的磁场中；
(2)让金属块进出磁场或者在非匀强磁场中运动。
3. 能量变化
伴随着涡流现象，其他形式的能转化成电能，并最终在金属块中转化为内能。
(1)如果把金属块放在变化的磁场中，则磁场能转化为电能并最终转化为内能。
(2)如果让金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动，则由于克服安培力做功，金属块的机械能转化为电能并最终转化为内能。
六、电磁阻尼和电磁驱动
电磁阻尼、电磁驱动现象中安培力的效果是阻碍相对运动。电磁驱动中导体的运动速度要小于磁场的运动速度。
【涡流、电磁阻尼和电磁驱动举一反三练习】
1．（多选）关于涡流、电磁阻尼、电磁驱动，下列说法正确的是（ ）
A．电磁炉利用电磁阻尼工作，录音机在磁带上录制声音利用电磁驱动工作
B．真空冶炼炉熔化金属是利用了涡流
C．金属探测器应用于安检场所，探测器利用了涡流的原理
D．磁电式仪表中用来做线圈骨架的铝框能起电磁阻尼的作用
【答案】BCD【详解】A．电磁炉利用涡流工作，录音机在磁带上录制声音利用了电流的磁效应工作，故A错误；B．真空冶炼炉熔化金属是利用了涡流，故B正确；C．金属探测器应用于安检场所，探测器利用了涡流的原理，故C正确；D．磁电式仪表中用来做线圈骨架的铝框能起电磁阻尼的作用，故D正确；故选BCD。
2．（多选）金属冶炼炉的示意图如图。炉内装入被冶炼的金属，线圈通入某种电流，这时被冶炼的金属就能熔化，这种冶炼方法速度快，温度容易控制，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。有关该金属冶炼炉，下列说法正确的是（ ）

A．利用线圈中电流的热效应
B．利用变化的电流在金属中产生的电流的热效应
C．电流变化得越快，金属熔化得越快
D．炉中金属的电阻率越大，金属熔化得越快
【答案】BC【详解】AB．依据产生涡流的条件，线圈中应通入变化的电流，该电流产生变化的磁场，才会在金属中产生涡流从而使金属熔化，故A错误，B正确；CD．根据法拉第电磁感应定律可知，电流变化越快、金属的电阻率越小，在金属中产生的感应电流就越大，金属熔化得就越快，故C正确，D错误。故选BC。
3．电磁感应现象在生产、生活及科学研究中有着广泛的应用，下列说法正确的是（ ）
A．电磁炉利用变化的磁场使食物中的水分子形成涡流来对食物加热
B．当金属探测器在探测到金属时，会在探测器内部产生祸流，致使蜂鸣器发出蜂鸣声
C．微安表等磁电式仪表在运输时需要把正负接线柱短接，防止损坏，利用的电磁阻尼原理
D．变压器的铁芯通常用涂有绝缘漆的薄硅钢片叠合而成主要是为了减小铁芯的电阻率，进而增大在铁芯中产生的涡流
【答案】C【详解】A．电磁炉是通过铁锅产生涡流来加热食物的，而不是食物形成涡流，故A错误；B．金属探测器利用电磁感应的原理，利用有交流电通过的线圈，产生迅速变化的磁场，这个磁场能在金属物体内部产生涡流，涡流又会产生磁场，倒过来影响原来的磁场，引发探测器发出鸣声，故B错误；C．微安表在运输时需要把正负接线柱短接，铝框做骨架，当线圈在磁场中转动时，导致铝框的磁通量变化，从而产生感应电流，线圈受到安培阻力，起到电磁阻尼作用，使其很快停止摆动，因此，利用电磁阻尼保护指针，故C正确；D．变压器的铁芯通常用涂有绝缘漆的薄硅钢片叠合而成是为了减小涡流，防止在铁芯中产生过大涡流．故D错误。故选C。【点睛】本题考查电磁感应在实际生活中的应用需要同学们对于电磁感应的原理理解透彻。
4．（多选）下列四个图都与涡流有关，其中说法正确的是（ ）
A． 真空冷炼炉是利用涡流来熔化金属的装置
B． 自制金属探测器是利用地磁场来进行探测的
C． 电磁炉工作时在它的面板上产生涡流加热食物
D． 变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠合而成是为了减小涡流
【答案】AD【详解】A．真空冷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，故A正确；B．金属探测器中变化电流遇到金属物体，在被测金属中上产生涡流来进行探测，故B错误；C．家用电磁炉工作时，在锅体中产生涡流，加热食物，故C错误；D．当变压器中的电流变化时，在其铁芯将产生涡流，使用相互绝缘的硅钢片叠合做成的铁芯可以尽可能减小涡流，故D正确；故选AD。
5．（多选）下列说法正确的是（ ）
A．手机无线充电技术是利用互感现象制成的
B．家用电磁炉工作时在电磁炉的面板上产生涡流来加热食物
C．用来探测金属壳地雷的探雷器是利用涡流来工作的
D．真空冶炼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
【答案】AC【详解】A．无线充电利用电磁感应原理，当充电底座的发射线圈中通有交变电流时，发射线圈产生交变的磁场，根据电磁感应原理，在接收线圈中产生感应电流，实现对接收充电设备的充电，故无线充电时手机接收线圈部分的工作原理是“互感现象”，A正确；B．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，锅具底部产生交变的涡流，B错误；C．用来探测金属壳地雷或有较大金属零件的地雷的探雷器是利用涡流工作的，C正确；D．真空冶炼炉外线圈通入高频交流电时，铁块中产生涡流，进而产生大量热量，从而冶炼金属，D错误。故选AC。
6．如图所示的金属探测器可以检查是否有违规违禁物品。工作时，探测器中的发射线圈通以电流，附近的被测金属物中感应出电流，感应电流的磁场反过来影响探测器线圈中的电流，使探测器发出警报，下列说法中正确的是（ ）
A．违规携带的手机只有发出通讯信号时才会被探测到
B．探测器与被测金属物相对静止时不能发出警报
C．探测环中的发射线圈通的是恒定电流
D．探测环中的发射线圈通的是交变电流
【答案】D【详解】CD．附近的被测金属物中感应出电流，则探测环中的发射线圈通的应是交变电流，选项C错误，D正确；B．因为探测环中的发射线圈通的是交变电流，被测金属物中的磁通量也是变化的，所以探测器与被测金属物相对静止时也能发出警报，选项B错误；A．违规携带的物品只要是金属就会被探测到，选项A错误。故选D。
7．如图，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。假设要缩短上述加热时间，以下措施可行的有（ ）

A．增加线圈的匝数B．提高交流电源的周期C．将金属杯换为瓷杯D．取走线圈中的铁芯
【答案】A【详解】A．根据法拉第电磁感应定律增加线圈的匝数n，可以增大感应电动势，使线圈产生的磁场增强，可以缩短加热时间，故A正确；BCD．根据法拉第电磁感应定律降低交流电源的频率即提高交流电源的周期和取走线圈中的铁芯，感应电动势就减小，使线圈产生的磁场减弱，加热时间延长。将金属杯换为瓷杯，瓷杯是绝缘体无法形成涡流，故不能加热，故BCD错误。故选A。
8．黄冈市进入了高铁时代。如图所示为安检门原理图，左侧面有一通电线圈，右侧面有一接收线圈。从左往右看，工作过程中某段时间通电线圈中存在顺时针方向增大的电流，则（ ）

A．无人通过安检门时，接收线圈中无感应电流
B．若接收线圈中有感应电流，方向一定与左侧线圈电流方向相同
C．通过人员携带金属时，金属中会产生涡漩电流
D．通过人员携带金属时，接收线圈中无感应电流
【答案】C【详解】AB．虽无人通过安检门，但因当左侧线圈中存在顺时针方向增大的电流，可知穿过右侧线圈的磁通量向右且增大，根据楞次定律，右侧线圈中产生逆时针方向的电流，与左侧线圈电流方向相反，故AB错误；CD．当通过人员携带金属时，穿过金属片中磁通量发生变化，金属片中会产生涡漩电流，感应电流的方向与接收线圈中的感应电流的方向相同，金属片的电流会将该空间中的磁场的变化削弱一些，引起接收线圈中的感应电流大小发生变化，故C正确，D错误。故选C。
二、电磁驱动和电磁阻尼知识点梳理
9．（多选）电磁学知识在科技生活中有广泛的应用，下列相关说法正确的是（ ）
A．图甲中动圈式扬声器的工作原理是电磁感应
B．图乙中线圈产生的自感电动势有时会大于原来电路中的电源电动势
C．图丙中自制金属探测器是利用地磁场来进行探测的
D．图丁中磁电式仪表，把线圈绕在铝框骨架上，目的是增加电磁阻尼的作用
【答案】BD【详解】A．图甲中动圈式扬声器的工作原理是电流的磁效应，故A错误；B．图乙中线圈产生的自感电动势有时会大于原来电路中的电源电动势，故B正确；C．图丙中自制金属探测器是利用金属探测器中变化电流产生的磁场来进行探测的，故C错误。D．图丁中磁电式仪表，把线圈绕在铝框骨架上，目的是增加电磁阻尼的作用，故D正确。故选BD。
10．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
【答案】C【详解】试题分析：当小磁块在光滑的铜管P下落时，由于穿过铜管的磁通量变化，导致铜管产生感应电流，因磁场，从而产生安培阻力，而对于塑料管内小磁块没有任何阻力，在做自由落体运动，故A错误；由A选项分析可知，在铜管的小磁块机械能不守恒，而在塑料管的小磁块机械能守恒，故B错误；在铜管中小磁块受到安培阻力，则在P中的下落时间比在Q中的长，故C正确；根据动能定理可知，因安培阻力，导致产生热能，则至底部时在P中的速度比在Q中的小，故D错误．故选C．考点：电磁感应
11．如图所示，甲、乙为形状与大小均相同且内壁光滑的圆筒，竖直固定在相同高度。两块相同的钕铁硼强磁铁，从甲、乙上端筒口同一高度同时无初速度释放，穿过乙筒的磁铁先落到地面。关于两圆筒的制作材料，下列可能正确的是（ ）
A．甲—塑料，乙—铝B．甲—铜，乙—胶木
C．甲—玻璃，乙—塑料D．甲—毛竹，乙—木头
【答案】B【详解】由题意可知，穿过乙筒的磁铁比穿过甲筒的磁铁先落到地面，故说明磁铁在甲筒时受到阻力作用；其原因是金属导体切割磁感线，从而使闭合的导体中产生感应电流，由于磁极间的相互作用而使条形磁铁受向上的阻力；故甲筒应为金属导体，如铜、铝、铁等，而乙筒应为绝缘体，如塑料、胶木等，故B正确，ACD错误；故选B。
12．为了有效隔离外界振动对的扰动，在圆底盘周边沿其径向对称地安装若干对紫铜薄板，并施加磁场来快速衰减其微小振动，如图所示。无扰动时，按下列四种方案对紫铜薄板施加恒磁场；出现扰动后，对于紫铜薄板上下及左右振动的衰减最有效的方案是（ ）

A． B．
C． D．
【答案】A【详解】该装置的原理是利用电磁阻尼。薄板出现扰动时，穿过薄板表面的磁通量如果发生变化，就会产生感应电流，薄板就会受到安培力作用，安培力总是阻碍导体相对磁场的运动，从而使薄板尽快停下来。A．薄板上、下、左、右运动时，磁通量都会发生变化，所以都会产生感应电流，所以都会受到安培力作用而很快停下来，故A正确；B．薄板只有向左运动时，磁通量才会发生变化，才会产生感应电流，进而受到安培力作用而很快停下来，而向上、向下和向右运动时，则不会产生感应电流，故B错误；C．板只有向左运动较大距离时，磁通量才会发生变化，才会产生感应电流，进而受到安培力作用而很快停下来，而向上向下和向右运动时，则不会产生感应电流，故C错误；D．薄板只有向左、向右运动时，磁通量才会发生变化，才会产生感应电流，进而受到安培力作用而很快停下来，而向上、向下运动时，则不会产生感应电流，故D错误。故选A。
13．一学生小组在探究电磁感应现象时，进行了如下比较实验。用图（a）所示的缠绕方式，将漆包线分别绕在几何尺寸相同的有机玻璃管和金属铝管上，漆包线的两端与电流传感器接通。两管皆竖直放置，将一很小的强磁体分别从管的上端由静止释放，在管内下落至管的下端。实验中电流传感器测得的两管上流过漆包线的电流I随时间t的变化分别如图（b）和图（c）所示，分析可知（ ）


A．图（c）是用玻璃管获得的图像
B．在铝管中下落，小磁体做匀变速运动
C．在玻璃管中下落，小磁体受到的电磁阻力始终保持不变
D．用铝管时测得的电流第一个峰到最后一个峰的时间间隔比用玻璃管时的短
【答案】A【详解】A．强磁体在铝管中运动，铝管会形成涡流，玻璃是绝缘体故强磁体在玻璃管中运动，玻璃管不会形成涡流。强磁体在铝管中加速后很快达到平衡状态，做匀速直线运动，而玻璃管中的磁体则一直做加速运动，故由图像可知图（c）的脉冲电流峰值不断增大，说明强磁体的速度在增大，与玻璃管中磁体的运动情况相符，A正确；B．在铝管中下落，脉冲电流的峰值一样，磁通量的变化率相同，故小磁体做匀速运动，B错误；C．在玻璃管中下落，玻璃管为绝缘体，线圈的脉冲电流峰值增大，电流不断在变化，故小磁体受到的电磁阻力在不断变化，C错误；D．强磁体分别从管的上端由静止释放，在铝管中，磁体在线圈间做匀速运动，玻璃管中磁体在线圈间做加速运动，故用铝管时测得的电流第一个峰到最后一个峰的时间间隔比用玻璃管时的长，D错误。故选A。
14．（多选）如图所示，把一个闭合线圈放在蹄形磁铁两磁极之间（两磁极间磁场可视为匀强磁场），蹄形磁铁和闭合线圈都可以绕OO′轴转动。当蹄形磁铁匀速转动时，线圈也开始转动，当线圈的转动稳定后，有（ ）
A．线圈与蹄形磁铁的转动方向相同
B．线圈与蹄形磁铁的转动方向相反
C．线圈中产生交变电流
D．线圈中产生为大小改变、方向不变的电流
【答案】AC【详解】AB．根据楞次定律可知，为阻碍磁通量变化，则导致线圈与磁铁转动方向相同，但快慢不一，线圈的转速一定比磁铁转速小，故A正确，B错误；CD．最终达到稳定状态时磁铁比线圈的转速大，则磁铁相对线圈中心轴做匀速圆周运动，所以产生的电流为交流电，故C正确，D错误。故选AC。
15．如图所示，竖直平面内过O点的竖直虚线左右两侧有垂直纸面大小相等、方向相反的水平匀强磁场，一导体圆环用绝缘细线连接悬挂于O点，将导体圆环拉到图示a位置静止释放，圆环绕O点摆动，则（ ）
A．导体环从a运动到b位置的过程中，有顺时针方向电流
B．导体环从b运动到c位置的过程中，电流总是顺时针方向
C．导体环在b位置和c位置速度大小相等
D．导体环向右最多能摆到与a位置等高的位置
【答案】B【详解】A．导体环从a运动到b位置的过程中，磁通量不变，没有感应电流，A错误；B．导体环从b运动到c位置的过程中，垂直纸面向里的磁场对应的磁通量在减小，根据楞次定律，感应电流方向为顺时针方向，垂直纸面向外的磁场对应的磁通量在增大，根据楞次定律，感应电流方向为顺时针方向，所以电流总是顺时针方向。B正确；CD．导体环在b位置和c位置速度大小不相等，该过程重力不做功，但是发生电磁感应，动能转化为电能，速度减小。也因此，导体环不能摆到与a位置等高的位置。CD错误。故选B。
16．下列与电磁感应有关的现象中，说法正确的是（ ）
A．甲图中当蹄形磁体顺时针转动时，铝框将逆时针方向转动
B．乙图中探雷器通过使用恒定电流的长柄线圈来探测地下是否有较大金属零件的地雷
C．图丙中，真空冶炼炉的炉外线圈通入高频交流电时，线圈会产生大量热量使金属熔化，从而冶炼金属。
D．丁图中磁电式仪表，把线圈绕在铝框骨架上，目的是起到电磁阻尼的作用
【答案】D【详解】A．根据电磁驱动原理可知，当蹄形磁体顺时针转动时，铝框也顺时针方向转动，A错误；B．探雷器通过使用交变电流的长柄线圈来探测地下是否有较大金属零件的地雷，B错误；C．真空冶炼炉能在真空环境下，利用电磁感应现象，使炉内的金属产生涡流，从而炼化金属，C错误；D．磁电式仪表，把线圈绕在铝框骨架上，铝框中产生感应电流，使线框尽快停止摆动，起到电磁阻尼的作用，D正确。故选D。
17．磁力刹车是游乐场中过山车采用的一种新型刹车装置，该刹车装置的原理图（从后朝前看）如图所示，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从强力磁铁间穿过，车很快停下来，关于该装置刹车原理，下列判断正确的是（ ）
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．磁力刹车利用铜片中涡流与强力磁铁作用刹车
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
【答案】C【详解】A．铜片不是铁磁性材料，不会被磁化，故A错误；BC．铜片穿过磁场产生涡流，涡流的磁场与强力磁铁作用刹车，不属于电磁驱动而是电磁阻尼，故B错误，C正确；D．强力磁铁的磁场对涡流的安培力阻碍过山车运动刹车，与过山车的速度有关，与质量无关，故D错误。故选C。
概念
由于电磁感应，在导体中产生的像水中的漩涡的感应电流
特点
整块金属的电阻很小，涡流往往很强，产生的热量很多
应用
(1)涡流热效应的应用：如真空冶炼炉。
(2)涡流磁效应的应用：如探雷器、安检门
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。
途径一：增大铁芯材料的电阻率；
途径二：用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯代替整块硅钢铁芯
概念
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运动的现象
应用
磁电式仪表中利用电磁阻尼使指针迅速停止摆动，便于读数
概念
磁场相对于导体转动时，导体中产生感应电流，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
电磁阻尼
电磁驱动
不同点
成因
导体在磁场中运动引起磁通量的变化而产生感应电流，从而使导体受到安培力
磁场运动引起磁通量的变化而产生感应电流，从而使导体受到安培力
效果
导体所受安培力的方向与导体运动方向相反，阻碍导体运动
导体所受安培力的方向与导体运动方向相同，推动导体运动
不同点
能量
转化
导体克服安培力做功，其他形式的能转化为电能，最终转化为内能
由于电磁感应，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，从而对外做功
相同点
两者都是电磁感应现象，都是安培力阻碍引起感应电流的导体与磁场间的相对运动