1、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,每小题6分,共36分)1.如图所示是一种冶炼金属的感应炉的示意图,此种感应炉应接怎样的电源()A.直流低压B.直流高压C.低频交流电D.高频交流电【解析】选D。线圈中的电流做周期性的变化,在附近的导体中产生感应电流,从而在导体中产生大量的热,涡流现象也是电磁感应;而交流电的频率越大,产生的热量越多,故D正确,A、B、C错误。2.(多选)下列实例中属于利用涡流的是()A.电磁阻尼装置B.变压器的铁芯用薄硅钢片叠合而成C.金属工件的高频焊接D.在日光灯电路中镇流器的线圈中加入铁芯【解析】选A、C。块状金属在磁场中运动,金属块内形成
2、涡流,涡流又形成磁场,反过来与外部磁场相互作用,从而阻碍了金属块的运动,故A正确;变压器的铁芯不用整块的硅钢铁芯用相互绝缘的薄硅钢片叠合而成,其目的是减小涡流,B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,即利用涡流工作,C正确;线圈中加入铁芯,是为了增强线圈的磁通量,与涡流无关,D错误。3.实验高中南、北校区之间要铺设一条输电线路,该线路要横穿两校区之间的公路,为了保护线路不至于被压坏,必须在地下预先铺设结实的过路钢管,再让输电线从钢管中穿过。校方将该要求在学校的物理探究小组中公布并征求电线穿管的方案。经过遴选,目前有如图所示的两种方案进入最后的讨论阶段
3、:甲方案是铺设两根钢管,两条输电线分别从两根钢管中穿过;乙方案是只铺设一根钢管,两条输电线都从这一根钢管中穿过。如果输电导线输送的电流很强大,那么,下列讨论的结果正确的是()A.若输送的电流是恒定电流,甲方案是可行的,乙方案是不可行的B.若输送的电流是交变电流,乙方案是可行的,甲方案是不可行的C.若输送的电流是交变电流,甲方案是可行的,乙方案是不可行的D.无论输送的电流是恒定电流还是交变电流,甲、乙两方案都是可行的【解析】选B。当通恒定电流时,钢管对导线没有阻碍作用;当通入交流电时,若分开套,则由于磁场的变化,导致钢管中产生涡流,有能源损耗。若甲图通交流电,由于变化的电流产生变化的磁场,则每根
4、钢管中都产生涡流;导致能源损耗较大。若乙图通交流电,由于两根导线一根是火线,一根是零线,它们的电流方向是相反的,故相互排斥。但工程上可以将其在一根管内做好绝缘隔离。问题在于由交流电产生的涡电流:由于两根导线方向相反,所以如果它们相互足够靠近,则它们在周围的每一点上产生大小几乎相等,方向相反的感应电流。这样能使涡流强度减弱到很小。若甲、乙两图通恒定电流,则都产生恒定的磁场,恒定的磁场不产生电场,因此不产生涡流,没有能量损耗。因此B正确,A、C、D错误。4.金属探测器已经广泛应用于安检场所,关于金属探测器的论述正确的是()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
5、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与被测物体相对静止与相对运动探测效果相同【解析】选C。金属探测器只能探测金属,不能用于食品生产防止细小的砂石颗粒混入食品中,故A错误;金属探测器探测金属时,被测金属中感应出涡流,故B错误,C正确;探测过程中工作时金属探测器应与被测物体相对运动,相对静止时无法得出探测效果,故D错误。5.(多选)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流电,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。下列说法中正确的是()A.涡流的磁场总是要阻碍穿过工件
6、磁通量的变化B.涡流的频率等于通入线圈的交流电频率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【解析】选A、B、C。根据楞次定律得知:感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化,故涡流的磁场总是要阻碍穿过工件磁通量的变化,故A正确。感应电流的频率与原电流的频率是相同的,涡流的频率等于通入线圈的交流电频率,故B正确;因为线圈交流电是周期性变化的,故在工件中引起的涡流也是周期性变化的,可知通电线圈和待测工件间存在周期性变化的作用力,故C正确;电磁感应只能发生在金属物体上,故待测工件只能是金属制品,故D错误。6.(多选)关于涡流,下列说法中正确的是()A.真
7、空冶炼炉是利用涡流来熔化金属的装置B.家用电磁炉锅体中的涡流是由恒定磁场产生的C.阻尼摆摆动时产生的涡流总是阻碍其运动D.变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成能减小涡流【解析】选A、C、D。用来冶炼合金钢的真空冶炼炉,炉外有线圈,线圈中通入反复变化的电流,炉内的金属中产生涡流,涡流产生的热量使金属熔化,所以A正确;家用电磁炉通的是交流电,交流电产生的是变化的磁场,不是恒定的磁场,故B错误;阻尼摆的金属盘以一定相对速度旋转掠过磁场时在金属盘内会产生感应电动势从而产生感应电流,因金属盘有电阻,电流做功,消耗机械能,因此产生阻碍金属盘旋转的阻尼作用,故C正确;用绝缘的硅钢片做铁芯,是为了减小涡流,减小
8、能量损失,所以D正确。二、非选择题(本题共2小题,共24分。要有必要的文字说明和解题步骤,有数值计算的要注明单位)7.(12分)在现代家庭的厨房中,电磁炉是家庭主妇非常青睐的炊具。利用以下材料并结合已学习的电磁学知识分析、讨论相关问题。如图是描述电磁炉工作原理的示意图。电磁炉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随电流不断变化的,这个变化的磁场又会使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,这些热能便能起到加热食物的作用。因为电磁炉是由电磁感应产生电流,利用电流的热效应产生热量,所以不是所有的锅或器具
9、都适用。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、耐热玻璃锅、铝锅、铜锅等。综合以上材料分析下列问题:(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):_;_;_。(2)电磁炉的锅不能用陶瓷锅、耐热玻璃锅的原因是_;电磁炉所用的锅不能用铝锅、铜锅的原因是_。【解析】(1)电流的磁效应(或电生磁);电磁感应现象(或磁生电);电流的热效应(或焦耳定律)。(2)陶瓷和玻璃是绝缘体,不能产生电磁感应现象;铝、铜的导磁性太差,效率低。答案:见解析8.(12分)如图甲为电磁炉的原理,它利用高频的电流通过环形线圈,从而产生无数封闭磁感线,当磁感线通过导磁性材料
10、(如铁质锅)的底部,而底部可看作由无数个导体圆环构成,当穿过圆环的磁通量发生变化时,圆环上就产生感应电流,即小涡流(一种交变电流,家用电磁炉使用的是1530 kHz的高频电流)。它和普通电流一样要放出焦耳热,会使锅体本身自行高速发热,然后再加热锅内食物。(1)为什么锅体必须是导磁性材料?(2)如图乙所示为某品牌电磁炉的结构示意图。电磁炉是根据涡流原理给锅加热的,调查研究电磁炉与一般烹饪炉具比较具有哪些优点?(写出两条即可)【解析】(1)由于非导磁性材料不能有效会聚磁感线,几乎不能形成涡流,所以基本上不加热;另外,导电能力特别差的磁性材料由于其电阻率太高,产生的涡流电流也很小,也不能很好地产生热
11、量。所以,电磁炉使用的锅体材料导电性能相对较好,一般采用铁磁性材料的金属或者合金以及它们的复合体,一般采用的锅有:铸造铁锅、生铁锅、不锈钢锅。纯不锈铁锅材料由于其导磁性能非常低,所以在电磁炉上并不能正常工作。(2)热效率高。由于电磁炉是通过涡流而使锅体发热的,它不存在热量再传导或辐射的过程,也就减少了传导和辐射过程中的热量损耗,热效率较高。一般电炉的热效率为50%,煤气灶的热效率为40%,而电磁炉的热效应可达80%。控温准确。电磁炉能方便而准确地根据用户的要求控制发热功率及烹调温度,热惯性小,断电即断磁,也就不再发热,而且使锅内温度分布均匀,烹调效果好。安全可靠。由于电磁炉使用时不产生明火,再
12、加上电磁炉本身不发热,并且又附有多种自动保护功能,因此使用时,不会发生烫伤事故,也不会引起火灾、爆炸、中毒等事故。清洁卫生。由于电磁炉无明火,无烟,不会产生有害气体污染空气,还能保持锅体和电磁炉清洁,由于电磁炉面板为微晶玻璃制成,即使食物溢出也不会焦煳,如有污物很容易擦净。使用方便。电磁炉体积小,重量轻,操作简单,一目了然,可随意搬动,便于携带,可以作为外出旅游之用,也可以放在餐桌上使用。答案:见解析【补偿训练】如图所示是阻尼摆的示意图,在轻质杆上固定一金属薄片,轻质杆可绕上端O点在竖直面内转动,一水平有界磁场垂直于金属薄片所在的平面。使摆从图中实线位置释放,摆很快就会停止摆动;若将摆改成梳齿
13、状,还是从同一位置释放,摆会摆动较长的时间。试定性分析其原因。【解析】第一种情况下,阻尼摆进入有界磁场后,在摆中会形成涡流,涡流受磁场的阻碍作用,会很快停下来;第二种情况下,将金属摆改成梳齿状,阻断了涡流形成的回路,从而减弱了涡流,受到的阻碍会比先前小得多,所以会摆动较长的时间。答案:见解析(15分钟40分)9.(9分)(多选)如图所示,在光滑水平面上固定一条形磁铁,有一小球以一定的初速度向磁铁方向运动,如果发现小球做减速运动,则小球的材料可能是()A.铁B.木C.铜D.铝【解析】选C、D。铁球被磁化后受到引力做加速运动,故A项错误。磁场对木球无任何作用,木球做匀速运动,故B项错误。铜、铝是金
14、属的,金属小球可看作由许多线圈构成,在向磁铁方向运动过程中,由于条形磁铁周围的磁场是非匀强磁场,穿过金属线圈中的磁通量会发生改变,它们会产生感应电流,根据楞次定律的推论“来拒去留”,它们的速度会减小,故C、D正确。10.(9分)在水平面上放置两个完全相同的带中心轴的金属圆盘,它们彼此用导线把中心轴和对方圆盘的边缘相连接,组成电路如图所示,一匀强磁场穿过两圆盘垂直向外,若不计一切摩擦,当a盘在外力作用下做逆时针转动时,圆盘b()A.沿与a盘相同的方向转动B.沿与a盘相反的方向转动C.转动的角速度一定大于a盘的角速度D.转动的角速度可能等于a盘的角速度【解析】选B。金属盘可看作由多根金属辐条组成,
15、a盘在外力作用下逆时针转动时,圆盘切割磁感线,由右手定则可知,电动势方向由圆心到圆盘a边缘通过导线和圆盘b组成闭合电路,而b盘在安培力作用下顺时针转动,圆盘a产生的电能一部分转化为b的动能,另一部分转化为两个圆盘的内能,故圆盘b的角速度应小于圆盘a的角速度,B正确,A、C、D错误。【补偿训练】如图所示,矩形线圈放置在水平薄木板上,有两块相同的蹄形磁铁,四个磁极之间的距离相等,当两块磁铁匀速向右通过线圈时,线圈仍静止不动,那么线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.一直向右D.一直向左【解析】选D。根据楞次定律的“阻碍变化”知“来拒去留”,当两磁铁靠近线圈时
16、,线圈要阻碍其靠近,线圈有向右移动的趋势,受木板的摩擦力向左,当磁铁远离时,线圈要阻碍其远离,仍有向右移动的趋势,受木板的摩擦力方向仍是向左的,故选项D正确。11.(22分)如图所示,质量m=100 g的铝环用细线悬挂起来,环中央距地面高度h=0.8 m,有一质量为M=200 g的小磁铁(长度可忽略)以v0=10 m/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x=3.6 m,小磁铁穿过铝环后的运动可看作平抛运动。(g取10 m/s2)(1)在磁铁与铝环发生相互作用时,铝环向哪边偏?(2)若铝环在磁铁穿过后速度为v=2 m/s,则在磁铁穿过铝环的整个过程中,环中产生了多少电能?【解
17、析】(1)由楞次定律可知,当小磁铁向右运动时,铝环向右偏(阻碍相对运动)。(2)在磁铁穿过铝环后落地的过程中,由平抛运动规律有h=gt2x=vt得磁铁穿过铝环后的速度v=9 m/s。由能量守恒定律可得Q电=M-Mv2-mv2=1.7 J答案:(1)右偏(2)1.7 J【补偿训练】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,无初速度释放一磁铁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M、m,若最终A、B速度分别为vA、vB。则:(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?【解析】(1)磁铁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,磁铁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mgh=M+m+E电即E电=mgh-(M+m)答案:(1)向右(2)mgh-(M+m)