2020-2021学年高中物理第四章电磁感应7涡流电磁阻尼和电磁驱动课时作业含解析新人教版选修

PAGEPAGE7涡流、电磁阻尼和电磁驱动时间：45分钟一、单项选择题1.如图所示，一个铜质圆环，无初速度地自位置Ⅰ下落到位置Ⅱ，若圆环下落时其轴线与磁铁悬线重合，圆环面始终水平．位置Ⅰ与位置Ⅱ的高度差为h，则运动时间(B)A．等于eq\r(\f(2h,g)) B．大于eq\r(\f(2h,g))C．小于eq\r(\f(2h,g)) D．无法判定解析：由于电磁阻尼作用，阻碍铜质圆环的下落，所以下落时间大于eq\r(\f(2h,g))，故B项正确．2．一个半径为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eq\f(L,2)处有一宽度为eq\f(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(C)A．mgL B．mgeq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(L,2)＋r))C．mgeq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,4)L＋r)) D．mg(L＋2r)解析：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mgeq\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(3,4)L＋r)).3．如图所示，四根等长的铝管和铁管(其中C中铝管不闭合，其他两根铝管和铁管均闭合)竖直放置在同一竖直平面内，分别将磁铁和铁块沿管的中心轴线从管的上端由静止释放，忽略空气阻力，则下列关于磁铁和铁块穿过管的运动时间的说法正确的是(A)A．tA>tB＝tC＝tDB．tC＝tA＝tB＝tDC．tC>tA＝tB＝tDD．tC＝tA>tB＝tD解析：A中闭合铝管不会被磁铁磁化，但当磁铁穿过铝管的过程中，铝管可看成很多圈水平放置的铝圈，据楞次定律知，铝圈将发生电磁感应现象，阻碍磁铁的相对运动；因C中铝管不闭合，所以磁铁穿过铝管的过程不发生电磁感应现象，磁铁做自由落体运动；铁块在B中铝管和D中铁管中均做自由落体运动，所以磁铁和铁块在管中运动时间满足tA>tC＝tB＝tD，A正确．4.如图所示，闭合导线环和条形磁铁都可以绕水平的中心轴OO′自由转动，开始时磁铁和圆环都静止在竖直平面内，若条形磁铁突然绕OO′轴N极向纸里、S极向纸外转动，在此过程中，圆环将(A)A．产生逆时针方向的感应电流，圆环上端向里、下端向外随磁铁转动B．产生顺时针方向的感应电流，圆环上端向外、下端向里转动C．产生逆时针方向的感应电流，圆环并不转动D．产生顺时针方向的感应电流，圆环并不转动解析：当条形磁铁的N极向纸内、S极向纸外转动时，通过闭合导线环的总的磁通量是向里增加的，根据楞次定律知，感应电流产生的磁场应向外，故感应电流的方向沿逆时针方向；再根据电磁驱动的原理知，导线环应与条形磁铁同向转动，即上端向里、下端向外随磁铁转动．5．如图所示，在一个绕有线圈的可拆变压器铁芯上分别放一小铁锅水和一玻璃杯水．给线圈通入电流，一段时间后，一个容器中水温升高，则通入的电流与水温升高的是(C)A．恒定直流、小铁锅B．恒定直流、玻璃杯C．变化的电流、小铁锅D．变化的电流、玻璃杯和小铁锅解析：通入恒定直流时，所产生的磁场不变，不会产生感应电流，通入变化的电流，所产生的磁场发生变化，在空间产生感生电场，铁锅是导体，感生电场使导体内产生涡流，电能转化为内能，使水温升高；涡流是由变化的磁场在导体内产生的，所以玻璃杯中的水不会升温．故选C.二、多项选择题6．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，以下说法正确的是(CD)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．人体在线圈交变电流产生的磁场中运动，产生感应电动势并在金属物品中产生感应电流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解析：一般金属物品不一定能被磁化，且地磁场很弱，即使金属被磁化磁性也很弱，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，故A、B错误；安检门利用涡流探测金属物品的工作原理是：线圈中交变电流产生交变磁场，使金属物品中产生涡流，故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到，故D项正确．7．如图所示是电表中的指针和电磁阻尼器，下列说法中正确的是(AD)A．2是磁铁，在1中产生涡流B．1是磁铁，在2中产生涡流C．该装置的作用使指针能够转动D．该装置的作用是使指针能很快地稳定解析：1在2中转动产生涡流，受到安培力作用阻碍指针的转动，故A、D正确．8.1824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，如右图所示．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(AB)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．在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：当圆盘转动时，圆盘的半径切割磁针产生的磁场的磁感线，产生感应电动势，选项A正确；如图所示，铜圆盘上存在许多小的闭合回路，当圆盘转动时，穿过小的闭合回路的磁通量发生变化，回路中产生感应电流，根据楞次定律，感应电流阻碍其相对运动，但抗拒不了相对运动，故磁针会随圆盘一起转动，但略有滞后，选项B正确；在圆盘转动过程中，磁针的磁场穿过整个圆盘的磁通量始终为零，选项C错误；圆盘中的电流并不是自由电子随圆盘一起运动产生的，而是导体切割磁感线，产生了感应电动势，从而出现的涡电流，选项D错误．三、非选择题9.我们用作煮食的炉子有各种各样的款式，它们的工作原理各不相同．有以天然气、液化石油气等作燃料的，例如天然气炉；还有以直接用电热方式加热的，例如电饭锅．下面介绍的是以电磁感应原理生热的电磁炉．如图所示是描述电磁炉工作原理的示意图．炉子的内部有一个金属线圈，当电流通过线圈时，会产生磁场，这个磁场的大小和方向是不断变化的，这个变化的磁场又会引起放在电磁炉上面的铁质(或钢质)锅底内产生感应电流，由于锅底有电阻，所以感应电流又会在锅底产生热效应，这些热能便起到加热物体的作用从而煮食．电磁炉的特点是：电磁炉的效率比一般的炉子都高，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．因为电磁炉是以电磁感应产生电流，利用电流的热效应产生热量，所以不是所有的锅或器具都适用．对于锅的选择，方法很简单，只要锅底能被磁铁吸住的就能用．适合放在电磁炉上烹饪的器具有不锈钢锅、不锈钢壶、平底铁锅；不适用的有陶瓷锅、圆底铁锅、耐热玻璃锅、铝锅、铜锅等．(1)在电磁炉加热食物的过程中涉及的物理原理有(回答三个即可)：答：①电流的磁效应(或电生磁)；②电磁感应现象(或磁生电)；③电流的热效应(或焦耳定律)．(2)电磁炉的锅不能用陶瓷锅、耐热玻璃锅的原因是不能产生电磁感应现象；电磁炉所用的锅不能用铝锅、铜锅的原因是电阻率小，电热少，效率低．(3)在锅和电磁炉中间放一纸板，则电磁炉还能起到加热作用吗？为什么？答案：能起到加热作用．由于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．10.如图所示，质量m1＝100g的铝环，用细线悬挂起来，环中央距地面高度h＝0.8m，有一质量为m2＝200g的小磁铁(长度可忽略)，以10m/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3.6m，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作平抛运动)．(1)铝环向哪边偏斜？(2)若铝环在磁铁穿过后速度为2m/s，在磁铁穿过铝环的整个过程中，环中产生了多少电能？(取g＝10m/s2)答案：(1)铝环向右偏(2)1.7J解析：(1)由楞次定律可知，当小磁铁向右运动时，铝环向右偏转(阻碍相对运动)．(2)根据能量守恒，由磁铁穿过铝环飞行的水平距离可求出穿过后的速度v＝eq\f(3.6m,\r(\f(2h,g)))＝9m/s，W电＝eq\f(1,2)m2veq\o\al(2,0)－eq\f(1,2)m2v2－eq\f(1,2)m1v′2＝1.7J.11．磁悬浮列车的原理如图所示，在水平面上，两根平行直导轨间有竖直方向且等距离的匀强磁场B1和B2，导轨上有金属框abcd，当匀强磁场B1和B2同时以速度v沿直线向右运动时，金属框也会沿直导轨运动．设直导轨间距为l＝0.4m，B1＝B2＝1T，磁场运动速度v＝5m/s，金属框的电阻R＝2Ω.试回答下列问题：(1)金属框为什么会运动？若金属框不受阻力，将如何运动？(2)当金属框始终受到f＝1N的阻力时，金属框的最大速度是多少？(3)当金属框始终受到f＝1N的阻力时，要使金属框维持最大速度，每秒钟需消耗多少能量？这些能量是谁提供的？答案：(1)见解析(2)vm＝1.875m/s(3)P＝5W，即每秒钟消耗5J的能量，这些能量是由磁场提供的解析：(1)因为磁场B1、B2向右运动，金属框相对于磁场向左运动，于是金属框ad、bc两边切割磁感线产生感应电流，当线框在实线位置时，由右手定则知，产生逆时针方向的电流，受到向右的安培力作用，所以金属框跟随匀强磁场向右运动．如果线框处于虚线位置，则产生顺时针方向的感应电流，由左手定则知，所受安培力方向仍然是水平向右的，故只要两者处于相对运动状态，线框就始终受到向右的安培力作用．线框开始处于静止状态(对地)，受安培力作用后，向右做加速运动，当速度增大到5m/s时，金属框相对磁场静止，做匀速运动．(2)当金属框始终受到f＝1N的阻力时，达最大速度时受力平衡，f＝F安＝2BIl，式中I＝eq\f(2Blv