1、课时素养评价六涡流、电磁阻尼和电磁驱动 (25分钟60分)一、选择题(本题共6小题,每题6分,共36分)1.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()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【解析】选C。容器中水温升高,是电能转化成内能所致。因此只有变化的电流才能导致磁通量变化,且只有小铁锅处于变化的磁通量中时,才能产生感应电动势,从而产生感应电流,导致电流发热。玻璃杯是绝缘体,不能产生感应电流,故C正确,A、B、D错误。2.下列四个图都与涡流
2、有关,其中说法不正确的是()A.真空冶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被测金属中产生的涡流来进行探测的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【解析】选C。真空冶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;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正确;家用电磁炉工作时,在锅体中产生涡流,加热食物,故C错误;当变压器中的电流变化时,在其铁芯产生涡流,使用硅钢片做成的铁芯可以尽可能减小涡流造成的损失,故D正确。题目让选不正确的,故选C。3.
3、如图所示,一铝块静止在光滑水平面上,现让一条形磁铁以一定的速度向右靠近铝块,在磁铁靠近铝块的过程,说法正确的是()A.若条形磁铁的右端为N极,则铝块会向右以相同的速度运动B.若条形磁铁的右端为S极,则铝块会向左运动,速度小于磁铁的速度C.在它们相遇前,铝块一直处于静止状态D.不论条形磁铁的右端为N极还是S极,铝块都会向右运动,且同一时刻铝块的速度小于磁铁的速度【解析】选D。不管条形磁铁的右端是N极还是S极,向右靠近铝块时都在铝块中产生涡流,因此会有电磁驱动现象,根据楞次定律阻碍作用的特点,铝块的速度小于磁铁的速度,D正确,A、B、C错误。4.如图一均匀金属圆盘绕通过其圆心且与盘面垂直的轴顺时针
4、匀速转动。现施加一垂直圆盘向里的有界匀强磁场,圆盘开始减速。不计金属圆盘与轴之间的摩擦,下列说法正确的是()A.在圆盘减速过程中,处于磁场中的圆盘部分,靠近圆心处电势高B.在圆盘减速过程中,若使所加磁场反向,圆盘将加速转动C.在圆盘转动的过程中,穿过整个圆盘的磁通量不发生变化,没有产生感应电流D.若所加磁场穿过整个圆盘,圆盘将匀速转动【解析】选D。将金属圆盘看成由无数金属辐条组成,这些金属辐条不断切割磁感线从而产生电动势和感应电流。根据右手定则可知,圆盘上的感应电流由圆心流向边缘,因此靠近圆心处电势低,故A、C错误;若所加磁场反向,只是产生的电流反向,根据楞次定律可知,安培力还是阻碍圆盘的转动
5、,因此圆盘还是减速转动,故B错误;若所加磁场穿过整个圆盘,圆盘在切割磁感线,产生感应电动势,相当于电路断开,不会产生感应电流,没有安培力的作用,圆盘将匀速转动,故D正确。5.如图所示,两同心圆环A、B置于同一水平面上,其中A为均匀带电绝缘环,B为导体环,两环均可绕中心在水平面内转动,则()A.若A匀速转动,B中产生恒定的感应电流B.若A逆时针加速转动,B中一定产生顺时针方向的感应电流C.若A顺时针减速转动,B中感应电流的方向可能是逆时针D.若A、B以相同的转速同方向加速转动,B中没有感应电流【解析】选C。若A匀速转动,相当于产生了一恒定的环形电流,B中的磁通量不发生变化,不产生感应电流,故A错
6、误;若A加速转动,则相当于电流增大,B中的磁通量增加,但因所带的电量的正负不知,不能确定A中的电流的方向,故不知磁场的方向,则不能由安培定则得B中会产生感应电流的方向,故B错误;因减速转动,相当于电流减小,则B中的磁通量减小,会产生感应电流,因A所带的电荷的正负不知,故方向不确定,可能为逆时针,故C正确;不论B是否运动,若A加速,则B中会有电流产生,故D错误。故选C。6.如图甲所示的是工业上探测物件表面层内部是否存在缺陷的涡流探伤设备,其原理是用载流线圈使物件内产生涡电流,借助探测线圈测定涡电流的改变,从而获得物件内部是否断裂及其位置的信息。如图乙所示的是一个带铁芯的线圈L、开关S和电源用导线
7、连接起来的跳环实验装置,将一个套环置于线圈L上且使铁芯穿过其中,闭合开关S的瞬间,套环将立刻跳起。对以上两个实例的理解正确的是()A.涡流探伤技术运用了互感原理,跳环实验演示了自感现象B.能被探测的物件和实验所用的套环必须是导电材料C.以上两个实例中的线圈所连接的电源都必须是变化的交流电源D.以上两个实例中的线圈所连接的电源也可以都是稳恒电源【解析】选B。涡流探伤技术其原理是用载流线圈使物件内产生涡电流,借助探测线圈测定涡电流的改变;跳环实验演示了电磁感应现象,故A错误;无论是涡流探伤技术还是演示电磁感应现象,都需要产生感应电流,而感应电流产生的条件之一是在导电材料内,故B正确;涡流探伤时,探
8、测器中通过交变电流产生变化的磁场,当导体、物件处于该磁场中时,该导体、物件中会感应出涡流;演示电磁感应现象的实验中,线圈接在直流电源上,闭合开关的瞬间,穿过套环的磁通量仍然会改变,套环中会产生感应电流,会跳动,故C、D错误。二、计算题(本题共1小题,共24分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要标明单位)7.如图所示,在光滑的水平面上有一半径r=10 cm、电阻R=1 、质量m=1 kg的金属环,以速度v=10 m/s向一有界匀强磁场滑去。匀强磁场方向垂直于纸面向里,B=0.5 T。从环刚开始进入磁场算起,到刚好有一半进入磁场时圆环释放了32 J的热量,求:(1)此时圆环中电流的瞬时功
9、率。(2)此时圆环运动的加速度。【解析】(1)取金属环为研究对象,从刚进入磁场至一半进入磁场的过程中,由能量守恒定律可知,环减少的动能全部转化为热能,设此时的速度为v1,则有Q=mv2-m,又因为P=,由以上两式联立,代入数据解得P=0.36 W。(2)由楞次定律可知环此时受到的安培力方向向左,由牛顿第二定律得=ma,即a=610-2 m/s2,方向向左。答案:(1)0.36 W(2)610-2 m/s2,方向向左【总结提升】涡流现象中两种不同的能量转化方式(1)电磁阻尼中克服安培力做功,其他形式的能转化为电能,最终转化为内能。(2)电磁驱动中由于电磁感应,磁场能转化为电能,通过安培力做功,电
10、能转化为导体的机械能而对外做功。 (15分钟40分)8.(9分)(多选)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()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.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】选A、B。圆盘运动过程中,半径方向的金属条切割磁感线,在圆心
11、和边缘之间产生了感应电动势,选项A对;圆盘在径向的辐条切割磁感线过程中,内部距离圆心远近不同的点电势不等而形成涡流,选项B对;圆盘转动过程中,圆盘位置、圆盘面积和磁场都没有发生变化,所以没有磁通量的变化,选项C错;圆盘本身呈现电中性,不会产生环形电流,选项D错。【加固训练】焊接无缝钢管需要先用感应加热的方法对焊口两侧进行预热。如图所示,将被加热管道置于感应线圈中,当感应线圈中通以电流时管道发热,则下列说法中正确的是()A.感应线圈电阻越大,加热效果越好B.感应线圈中电流应该采用高频交流电C.塑料管道用这种感应加热焊接的方式更容易实现D.感应线圈加热管道产生热量不符合焦耳定律【解析】选B。当增大
12、感应线圈电阻,相当于减小了交流电的电流,电流的峰值变小,在频率不变的情况下,单位时间电流的变化量变小,即电流的变化率变小,则磁场的变化率变小,磁通量的变化率变小,加热效果减弱,故A错误;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,焊缝处的温度升高得越快。故B正确;采用塑料管不可能在焊缝中产生电流。故C错误;感应加热是利用电磁感应现象,产生涡流而发热,不是利用线圈电阻产生的焦耳热直接焊接的,仍然符合焦耳定律。故D错误。9.(9分)(多选)如图所示,闭合金属环
13、从曲面上高h处滚下,又沿曲面的另一侧上升,设环的初速度为零,摩擦不计,曲面处在图示磁场中,则()A.若是匀强磁场,环滚上的高度小于hB.若是匀强磁场,环滚上的高度等于hC.若是非匀强磁场,环滚上的高度等于hD.若是非匀强磁场,环滚上的高度小于h【解析】选B、D。若磁场为匀强磁场,穿过环的磁通量不变,不产生感应电流,即无机械能向电能转化,机械能守恒,故A错,B正确;若磁场为非匀强磁场,环内要产生电能,机械能减少,故C错,D正确,故选B、D。【加固训练】(多选)如图所示,一金属铜盘紧靠U形磁铁的两极而不接触,U形磁铁在铜盘正中央。当磁铁旋转起来,会带动铜圆盘跟随磁铁转动,这种现象称为电磁驱动,在圆
14、盘转动过程中下列说法正确的是()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U形磁铁转动C.在圆盘转动的过程中,U形磁铁的磁场穿过整个圆盘的磁通量发生了变化D.圆盘转动方向与磁铁方向相反【解析】选A、B。铜盘中有自由电子,在磁场运动时,这些电子受到洛伦兹力,会沿半径方向运动,圆盘上产生了感应电动势,从而形成涡流。这个涡流反过来又会受到磁场的作用力,使得铜盘随着磁极转动。故A、B正确;根据对称性原理,U形磁铁的磁场穿过整个圆盘的磁通量不变,故C错误;根据楞次定律可知,圆盘会阻碍磁铁的相对运动,所以圆盘以较小的转速与磁铁同向转动。故D错误。10.(22分)有人设计了可变阻尼的电磁辅助
15、减震系统,由三部分组成。一部分是电磁侦测系统;一部分是可变电磁阻尼系统,吸收震动时的动能;还有一部分是控制系统,接收侦测系统的信号,改变阻尼磁场的强弱。系统如图1所示,侦测线框、阻尼线圈固定在汽车底盘上,侦测系统磁体、减震系统磁体固定在车轴上,车轴与底盘通过一减震弹簧相连。侦测系统磁场为匀强磁场,B1=0.01 T, 长方形线框宽d=0.05 m,整个回路的电阻R1=0.1 ,运动过程中,线框的下边不会离开磁场,上边不会进入磁场。阻尼线圈由100个相互绝缘的独立金属环组成,这100个金属环均匀固定在长为0.2 m的不导电圆柱体上,减震系统磁场辐向分布,俯视如图2所示,线圈所在位置磁感应强度B2
16、大小处处相等,大小由控制系统控制。汽车静止时,阻尼线圈恰好50匝处于磁场中,取此时侦测线框所在的位置为原点,取向下为正,线框相对侦测磁场的位移记为x,B2的大小与x的关系如图3所示。每个线圈的电阻为R2=0.001 ,周长L=0.3 m。不考虑阻尼线圈之间的电磁感应,忽略阻尼线圈导体的粗细,设车轴与底盘总保持平行。(1)侦测线框向下运动时电流的方向为顺时针还是逆时针?(2)写出侦测线框由平衡位置向下运动时,侦测线框流入控制系统的电量q与位移x的大小关系式;(3)某次侦测线框由平衡位置向下运动,流入控制系统的电量q=2.510-4C,这一过程底盘相对车轴做v=10 m/s的匀速运动,求这一过程阻
17、尼线圈吸收了多少机械能。【解析】(1)向下运动时,线圈的磁通量增大,感应电流为逆时针。(2)线框向下运动速度为v时,感应电动势为:E=B1dv感应电流为:I=那么,在极短时间间隔t内侦测线框流入控制系统的电量为:q=Itx=vt那么,对侦测线框向下运动x距离的运动时间对电量进行叠加可得侦测线框流入控制系统的电量为:q=0.005x (C)(3)由(2)可得:流入控制系统的电量为:q=2.510-4C时,x=0.05 m,由图3可知当0x0.05 m时B2=1 T,单个金属环进入磁场后受到安培力的大小:F=900 N当位移x=0.05 m时,下面50个环的克服安培力做的总功为:W1=50FxW1=2 250 J上面25个线圈新进入磁场的线圈W2=25Fx=562.5 JW总=W1 +W2=2 812.5 J答案:(1)逆时针(2)q=0.005x(C)(3) 2812.5 J
