2024-2025年高中物理第二章電磁感應(yīng)3渦流電磁阻尼和電磁驅(qū)動檢測含解析新人教版選擇性必修2

PAGEPAGE8渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(25分鐘60分)一、選擇題(本題共6小題，每小題6分，共36分)1．電磁爐具有無煙、無明火、無污染、不產(chǎn)生有害氣體、無微波輻射、高效節(jié)能等優(yōu)勢。電磁爐是利用電流通過線圈產(chǎn)生磁場，當(dāng)磁場的磁感線通過鐵質(zhì)鍋底部時，即會產(chǎn)生多數(shù)小渦流，使鍋體本身自行高速發(fā)熱，然后再加熱鍋內(nèi)食物。下列相關(guān)說法中正確的是()A．鍋體可以用不導(dǎo)電的陶瓷制成B．鍋體中的渦流是由恒定的磁場產(chǎn)生的C．恒定磁場越強(qiáng)，電磁爐的加熱效果越好D．提高磁場改變的頻率，可提高電磁爐的加熱效果【解析】選D。鍋體中的渦流是由改變的磁場產(chǎn)生的，陶瓷屬于絕緣體，不能導(dǎo)電，無法形成渦流，故A、B、C錯誤；提高磁場改變的頻率，可提高電磁爐的加熱效果。故D正確。2．電磁爐是利用渦流加熱的，它利用交變電流通過線圈產(chǎn)生改變磁場，當(dāng)磁場內(nèi)的磁感線通過鍋底時，即會產(chǎn)生多數(shù)小渦流，使鍋體本身高速發(fā)熱，從而達(dá)到烹飪食物的目的。下列的鍋具或容器中，適用于電磁爐的是()A．煮中藥的瓦罐 B．不銹鋼鍋C．玻璃茶杯 D．塑料盆【解析】選B。煮中藥的瓦罐、玻璃茶杯、塑料盆都不是鐵質(zhì)鍋，不能被磁化，因而不能形成渦流(即電流)，故不能用來加熱食物，故A、C、D錯誤，B正確。3．如圖所示，使一個銅盤繞其豎直的軸OO′轉(zhuǎn)動，且假設(shè)摩擦等阻力不計，轉(zhuǎn)動是勻速的?，F(xiàn)把一個蹄形磁鐵移近銅盤，則()A．銅盤轉(zhuǎn)動將變慢B．銅盤轉(zhuǎn)動將變快C．銅盤仍以原來的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動D．銅盤轉(zhuǎn)動速度是否改變，要依據(jù)磁鐵的上、下兩端的極性來確定【解析】選A。當(dāng)蹄形磁鐵移近銅盤時，銅盤轉(zhuǎn)動切割磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電流，由楞次定律可知感應(yīng)電流所受的安培力阻礙其相對運動，所以銅盤轉(zhuǎn)動將變慢。從能量守恒的角度去分析，因為銅盤轉(zhuǎn)動切割磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電流，銅盤的機(jī)械能不斷轉(zhuǎn)化成電能，銅盤轉(zhuǎn)動會漸漸變慢，A項正確。4．金屬探測器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于安檢場所，關(guān)于金屬探測器的論述正確的是()A．金屬探測器可用于食品生產(chǎn)，防止細(xì)小的砂石顆?；烊胧称分蠦．金屬探測器探測地雷時，探測器的線圈中產(chǎn)生渦流C．金屬探測器探測金屬時，被測金屬中感應(yīng)出渦流D．探測過程中金屬探測器與被測物體相對靜止與相對運動探測效果相同【解析】選C。金屬探測器只能探測金屬，不能用于食品生產(chǎn)防止細(xì)小的砂石顆粒混入食品中，故A錯誤；金屬探測器探測金屬時，被測金屬中感應(yīng)出渦流，故B錯誤，C正確；探測過程中工作時金屬探測器應(yīng)與被測物體相對運動，相對靜止時無法得出探測效果，故D錯誤。5．(多選)渦流檢測是工業(yè)上無損檢測的方法之一。如圖所示，線圈中通以肯定頻率的正弦溝通電，靠近待測工件時，工件內(nèi)會產(chǎn)生渦流，同時線圈中的電流受渦流影響也會發(fā)生改變。下列說法中正確的是()A.渦流的磁場總是要阻礙穿過工件磁通量的改變B．渦流的頻率等于通入線圈的溝通電頻率C．通電線圈和待測工件間存在周期性改變的作用力D．待測工件可以是塑料或橡膠制品【解析】選A、B、C。依據(jù)楞次定律得知：感應(yīng)電流的磁場總是要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的改變，故渦流的磁場總是要阻礙穿過工件磁通量的改變，故A正確。感應(yīng)電流的頻率與原電流的頻率是相同的，渦流的頻率等于通入線圈的溝通電頻率，故B正確；因為線圈溝通電是周期性改變的，故在工件中引起的渦流也是周期性改變的，可知通電線圈和待測工件間存在周期性改變的作用力，故C正確；電磁感應(yīng)只能發(fā)生在金屬物體上，故待測工件只能是金屬制品，故D錯誤。6．(多選)關(guān)于渦流，下列說法中正確的是()A．真空冶煉爐是利用渦流來熔化金屬的裝置B．家用電磁爐鍋體中的渦流是由恒定磁場產(chǎn)生的C．阻尼擺搖擺時產(chǎn)生的渦流總是阻礙其運動D．變壓器的鐵芯用相互絕緣的硅鋼片疊成能減小渦流【解析】選A、C、D。用來冶煉合金鋼的真空冶煉爐，爐外有線圈，線圈中通入反復(fù)改變的電流，爐內(nèi)的金屬中產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生的熱量使金屬熔化，所以A正確；家用電磁爐通的是溝通電，溝通電產(chǎn)生的是改變的磁場，不是恒定的磁場，故B錯誤；阻尼擺的金屬盤以肯定相對速度旋轉(zhuǎn)拂過磁場時在金屬盤內(nèi)會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢從而產(chǎn)生感應(yīng)電流，因金屬盤有電阻，電流做功，消耗機(jī)械能，因此產(chǎn)生阻礙金屬回旋轉(zhuǎn)的阻尼作用，故C正確；用絕緣的硅鋼片做鐵芯，是為了減小渦流，減小能量損失，所以D正確。二、非選擇題(本題共2小題，共24分。要有必要的文字說明和解題步驟，有數(shù)值計算的要注明單位)7．(12分)在現(xiàn)代家庭的廚房中，電磁爐是家庭主婦特別青睞的炊具。利用以下材料并結(jié)合已學(xué)習(xí)的電磁學(xué)學(xué)問分析、探討相關(guān)問題。如圖是描述電磁爐工作原理的示意圖。電磁爐的內(nèi)部有一個金屬線圈，當(dāng)電流通過線圈時，會產(chǎn)生磁場，這個磁場的大小和方向是隨電流不斷改變的，這個改變的磁場又會使放在電磁爐上面的鐵質(zhì)(或鋼質(zhì))鍋底內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于鍋底有電阻，所以感應(yīng)電流又會在鍋底產(chǎn)生熱效應(yīng)，這些熱能便能起到加熱食物的作用。因為電磁爐是由電磁感應(yīng)產(chǎn)生電流，利用電流的熱效應(yīng)產(chǎn)生熱量，所以不是全部的鍋或器具都適用。適合放在電磁爐上烹飪的器具有不銹鋼鍋、不銹鋼壺、平底鐵鍋；不適用的有陶瓷鍋、耐熱玻璃鍋、鋁鍋、銅鍋等。綜合以上材料分析下列問題：(1)在電磁爐加熱食物的過程中涉及的物理原理有(回答三個即可)：①______________________________________________；②_______________________________________________；③_______________________________________________。(2)電磁爐的鍋不能用陶瓷鍋、耐熱玻璃鍋的緣由是_______________________________________________________________；電磁爐所用的鍋不能用鋁鍋、銅鍋的緣由是_______________________________________________________________?！窘馕觥?1)①電流的磁效應(yīng)(或電生磁)；②電磁感應(yīng)現(xiàn)象(或磁生電)；③電流的熱效應(yīng)(或焦耳定律)。(2)陶瓷和玻璃是絕緣體，不能產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象；鋁、銅的導(dǎo)磁性太差，效率低。答案：見解析8．(12分)如圖甲為電磁爐的原理，它利用高頻的電流通過環(huán)形線圈，從而產(chǎn)生多數(shù)封閉磁感線，當(dāng)磁感線通過導(dǎo)磁性材料(如鐵質(zhì)鍋)的底部，而底部可看作由多數(shù)個導(dǎo)體圓環(huán)構(gòu)成，當(dāng)穿過圓環(huán)的磁通量發(fā)生改變時，圓環(huán)上就產(chǎn)生感應(yīng)電流，即小渦流(一種交變電流，家用電磁爐運用的是15～30kHz的高頻電流)。它和一般電流一樣要放出焦耳熱，會使鍋體本身自行高速發(fā)熱，然后再加熱鍋內(nèi)食物。(1)為什么鍋體必需是導(dǎo)磁性材料？(2)如圖乙所示為某品牌電磁爐的結(jié)構(gòu)示意圖。電磁爐是依據(jù)渦流原理給鍋加熱的，調(diào)查探討電磁爐與一般烹飪爐具比較具有哪些優(yōu)點？(寫出兩條即可)【解析】(1)由于非導(dǎo)磁性材料不能有效會聚磁感線，幾乎不能形成渦流，所以基本上不加熱；另外，導(dǎo)電實力特殊差的磁性材料由于其電阻率太高，產(chǎn)生的渦流電流也很小，也不能很好地產(chǎn)生熱量。所以，電磁爐運用的鍋體材料導(dǎo)電性能相對較好，一般采納鐵磁性材料的金屬或者合金以及它們的復(fù)合體，一般采納的鍋有：鑄造鐵鍋、生鐵鍋、不銹鋼鍋。純不銹鐵鍋材料由于其導(dǎo)磁性能特別低，所以在電磁爐上并不能正常工作。(2)①熱效率高。由于電磁爐是通過渦流而使鍋體發(fā)熱的，它不存在熱量再傳導(dǎo)或輻射的過程，也就削減了傳導(dǎo)和輻射過程中的熱量損耗，熱效率較高。一般電爐的熱效率為50%，煤氣灶的熱效率為40%，而電磁爐的熱效應(yīng)可達(dá)80%。②控溫精確。電磁爐能便利而精確地依據(jù)用戶的要求限制發(fā)熱功率及烹調(diào)溫度，熱慣性小，斷電即斷磁，也就不再發(fā)熱，而且使鍋內(nèi)溫度分布勻稱，烹調(diào)效果好。③平安牢靠。由于電磁爐運用時不產(chǎn)生明火，再加上電磁爐本身不發(fā)熱，并且又附有多種自動愛護(hù)功能，因此運用時，不會發(fā)生燙傷事故，也不會引起火災(zāi)、爆炸、中毒等事故。④清潔衛(wèi)生。由于電磁爐無明火，無煙，不會產(chǎn)生有害氣體污染空氣，還能保持鍋體和電磁爐清潔，由于電磁爐面板為微晶玻璃制成，即使食物溢出也不會焦煳，如有污物很簡潔擦凈。⑤運用便利。電磁爐體積小，重量輕，操作簡潔，一目了然，可隨意搬動，便于攜帶，可以作為外出旅游之用，也可以放在餐桌上運用。答案：見解析【補(bǔ)償訓(xùn)練】如圖所示是阻尼擺的示意圖，在輕質(zhì)桿上固定一金屬薄片，輕質(zhì)桿可繞上端O點在豎直面內(nèi)轉(zhuǎn)動，一水平有界磁場垂直于金屬薄片所在的平面。使擺從圖中實線位置釋放，擺很快就會停止搖擺；若將擺改成梳齒狀，還是從同一位置釋放，擺會搖擺較長的時間。試定性分析其緣由?！窘馕觥康谝环N狀況下，阻尼擺進(jìn)入有界磁場后，在擺中會形成渦流，渦流受磁場的阻礙作用，會很快停下來；其次種狀況下，將金屬擺改成梳齒狀，阻斷了渦流形成的回路，從而減弱了渦流，受到的阻礙會比從前小得多，所以會搖擺較長的時間。答案：見解析(15分鐘40分)9．(9分)物理課上，老師做了一個“奇妙”的試驗：如圖所示，將30cm長的銅管豎直放置，一磁性很強(qiáng)的磁鐵從上管口由靜止釋放，視察到磁鐵用較長時間才從下管口落出。對于這個試驗現(xiàn)象同學(xué)們經(jīng)分析探討作出相關(guān)的推斷，你認(rèn)為正確的是(下落過程中不計空氣阻力，磁鐵與管壁沒有接觸)()A.假如磁鐵的磁性足夠強(qiáng)，磁鐵會停留在銅管中，恒久不落下來B．磁鐵在銅管中運動的過程中，由于不計空氣阻力，所以機(jī)械能守恒C．假如磁鐵的磁性足夠強(qiáng)，磁鐵在銅管中運動時間更長，但肯定會落下來D．假如將銅管換成塑料管，磁鐵從塑料管中出來也會用較長時間【解析】選C。假如磁鐵的磁性足夠強(qiáng)，磁鐵在銅管中運動受到阻力更大，這是因為當(dāng)磁鐵運動時才會導(dǎo)致銅管的磁通量發(fā)生改變，才出現(xiàn)感應(yīng)磁場阻礙原磁場的改變的狀況，所以運動時間變長，但肯定會落下，故A錯誤，C正確；磁鐵在銅管中運動的過程中，雖不計空氣阻力，但在運動過程中，出現(xiàn)安培力做功產(chǎn)生熱能，所以機(jī)械能不守恒，故B錯誤；假如將銅管換成塑料管，磁鐵不會受到安培力的阻礙作用，做自由落體運動，故D錯誤。10．(9分)在水平面上放置兩個完全相同的帶中心軸的金屬圓盤，它們彼此用導(dǎo)線把中心軸和對方圓盤的邊緣相連接，組成電路如圖所示，一勻強(qiáng)磁場穿過兩圓盤垂直向外，若不計一切摩擦，當(dāng)a盤在外力作用下做逆時針轉(zhuǎn)動時，圓盤b()A.沿與a盤相同的方向轉(zhuǎn)動B．沿與a盤相反的方向轉(zhuǎn)動C．轉(zhuǎn)動的角速度肯定大于a盤的角速度D．轉(zhuǎn)動的角速度可能等于a盤的角速度【解析】選B。金屬盤可看作由多根金屬輻條組成，a盤在外力作用下逆時針轉(zhuǎn)動時，圓盤切割磁感線，由右手定則可知，電動勢方向由圓心到圓盤a邊緣通過導(dǎo)線和圓盤b組成閉合電路，而b盤在安培力作用下順時針轉(zhuǎn)動，圓盤a產(chǎn)生的電能一部分轉(zhuǎn)化為b的動能，另一部分轉(zhuǎn)化為兩個圓盤的內(nèi)能，故圓盤b的角速度應(yīng)小于圓盤a的角速度，B正確，A、C、D錯誤?！狙a(bǔ)償訓(xùn)練】如圖所示，矩形線圈放置在水平薄木板上，有兩塊相同的蹄形磁鐵，四個磁極之間的距離相等，當(dāng)兩塊磁鐵勻速向右通過線圈時，線圈仍靜止不動，那么線圈受到木板的摩擦力方向是()A．先向左，后向右B．先向左、后向右、再向左C．始終向右D．始終向左【解析】選D。依據(jù)楞次定律的“阻礙改變”知“來拒去留”，當(dāng)兩磁鐵靠近線圈時，線圈要阻礙其靠近，線圈有向右移動的趨勢，受木板的摩擦力向左，當(dāng)磁鐵遠(yuǎn)離時，線圈要阻礙其遠(yuǎn)離，仍有向右移動的趨勢，受木板的摩擦力方向仍是向左的，故選項D正確。11．(22分)如圖所示，質(zhì)量m＝100g的鋁環(huán)用細(xì)線懸掛起來，環(huán)中心距地面高度h＝0.8m，有一質(zhì)量為M＝200g的小磁鐵(長度可忽視)以v0＝10m/s的水平速度射入并穿過鋁環(huán)，落地點距鋁環(huán)原位置的水平距離x＝3.6m，小磁鐵穿過鋁環(huán)后的運動可看作平拋運動。(g取10m/s2)(1)在磁鐵與鋁環(huán)發(fā)生相互作用時，鋁環(huán)向哪邊偏？(2)若鋁環(huán)在磁鐵穿過后速度為v＝2m/s，則在磁鐵穿過鋁環(huán)的整個過程中，環(huán)中產(chǎn)生了多少電能？【解析】(1)由楞次定律可知，當(dāng)小磁鐵向右運動時，鋁環(huán)向右偏(阻礙相對運動)。(2)在磁鐵穿過鋁環(huán)后落地的過程中，由平拋運動規(guī)律有h＝eq\f(1,2)gt2x＝v′t得磁鐵穿過鋁環(huán)后的速度v′＝9m/s。由能量守恒定律可得Q電＝eq\f(1,2)Mveq\o\al(\s\up1(2),\s\do1(0))－eq\f(1,2)Mv′2－eq\f(1,2)mv2＝1.7J答案：(1)右偏(2)1.7J【補(bǔ)償訓(xùn)練】如圖所示，光滑弧形軌道和一足夠長的光滑水平軌道相連，水平軌道上方有一足夠長的金屬桿，桿上掛有一光滑螺線管A。在弧形軌道上高為h的地方，無初速度釋放一磁鐵B(可視為質(zhì)點)，B下滑至水平軌道時恰好沿螺線管A的中心軸運動，設(shè)A、B的質(zhì)量分別為M、m，若最終A、B速度分別為vA、vB。則：(1)螺線管A將向哪個方向運動？(2)全過程中整個電路所消耗的電能是多少？【解析】(1)磁鐵B向右運動時，螺線管中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流產(chǎn)生電磁驅(qū)動作用，使得螺線管A向右運動。(2)全過程中，磁鐵削減的重力勢能轉(zhuǎn)化為A、B的動能和螺線管中的電能，所以mgh＝eq\f(1,2)Mveq