人教版高中物理必修3-2讲义资料,复习补习资料:10【提高】互感和自感、涡流

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人教版高中物理必修3-2讲义资料,复习补习资料:10【提高】互感和自感、涡流

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互感和自感、涡流

【学习目标】
1、知道什么是互感现象和自感现象。   2、知道自感系数是表示线圈本身特征的物理量,知道它的单位及其大小的决定因素。   3、能够通过电磁感应部分知识分析通电、断电自感现象的原因。   4、知道涡流是如何产生的,知道涡流对人类有利和有害的两方面,以及如何利用涡流和防止涡流。
【巩固练习】
一、选择题
1.如图,A、B是相同的白炽灯,L是自感系数很大、电阻可忽略的自感线圈。下面说法正确的是(  )
A.闭合开关S时,A、B灯同时亮,且达到正常
B.闭合开关S时,B灯比A灯先亮,最后一样亮
C.闭合开关S时,A灯比B灯先亮,最后一样亮
D.断开开关S时,A灯与B灯同时慢慢熄灭
2.如图所示,电阻R1=3Ω,R2=6Ω,线圈的直流电阻不计。电源电动势E=5 V、内阻r=1Ω,开始时开关S闭合。则( )
A.断开S前,电容器带电荷量为零
B.断开S前,电容器电压为
C.断开S的瞬间,电容器a板上带正电
D.断开S的瞬间,电容器b板上带正电
3.在彩色电视机的电源输入端装有电源滤波器,其电路图如图所示,主要元件是两个电感线圈L1、L2(它们的自感系数很大),F是保险丝,R是压敏电阻(正常情况下阻值很大,但电压超过设定值时,阻值会迅速变小,可以保护与其并联的元件),C1、C2是电容器,S为电视机开关。某一次用户没有先关电视(没断开S)就拔去电源插头,结果烧坏了图中电路元件,则可能被烧坏的元件是( )

A.C2 B.Cl C.L1或L2 D.F
4.在日光灯电路中接有启动器、镇流器和日光灯管,下列说法中正确的是( )
A.日光灯点亮后,镇流器、启动器都不起作用
B.镇流器在点亮灯管时产生瞬时高压,点燃后起降压限流作用
C.日光灯点亮后,启动器不再起作用,可以将启动器去掉
D.日光灯点亮后,使镇流器短路,目光灯仍能正常发光,并能降低对电能的消耗
5.如图所示电路,L是自感系数较大的线圈,在滑动变阻器的滑片P从A端迅速滑向B端的过程中,经过AB中点C时通过线圈的电流为I1;P从B端迅速滑向A端的过程中,经过C点时通过线圈的电流为I2;P固定在C点不动,达到稳定时通过线圈的电流为I0,则( )
A.I1=I2=I0 B.I1>I0>I2 C.I1=I2>I0 D.I1<I0<I2
6.如图所示,电路原来接通,在t1时刻突然断开开关S,则通过电阻R1的电流i随时间变化的图象可能是下图中的( )

7.(2019 北京海淀模拟)利用所学物理知识,可以初步了解安检中常用的一种手持金属探测器的工作原理及相关问题。这种手持金属探测器工作时,因其内部的探测器线圈内通有一定频率(该频率可在固定的频率范围内调节)的正弦交变电流,产生迅速变化的磁场。如果该种探测器附近有金属物品,在金属物品中会感应出涡流,涡流的磁场反过来影响探测器线圈中的电流,引发探测器蜂鸣报警。金属物品中感应出的涡流越大对探测器线圈中的电流的影响越大,金属物品中感应出涡流的大小与正弦交变电流的频率以及被检测金属物品的尺寸和导电的性能有关。关于该种金属探测器,下列说法中正确的是( )
A.金属物品中产生的涡流的变化频率与探测器线圈中的交变电流的频率可能不同
B.当探测器中通有的交变电流频率不在工作频率范围内时,被检测金属物品中就不产 生感应电流
C.探测器线圈中通低频率的正弦交变电流更容易检测出尺寸小、电阻率大的金属物品
D.该种金属探测器能检测有无金属物品,但不能准确区分金属的种类
8.如图所示,金属球(铜球)下端有通电的线圈,今把小球拉离平衡位置后释放,此后关于小球的运动情况是(不计空气阻力)( )
A.做等幅振动 B.做阻尼振动
C.振幅不断增大 D.无法判定
9.如图所示,在光滑绝缘水平面上,有一铝质圆形金属球以一定的初速度通过有界匀强磁场,则从球开始进入磁场到完全穿出磁场过程中(磁场宽度大于金属球的直径),小球( )
A.整个过程匀速运动
B.进入磁场过程中球做减速运动,穿出过程做加速运动
C.整个过程都做匀减速运动
D.穿出时的速度一定小于初速度
10.如图所示,在O点正下方有一个具有理想边界的磁场,铜环在A点由静止释放,向右摆至最高点B,不考虑空气阻力,则下列说法正确的是( )
A.A、B两点在同一水平线上 B.A点高于B点
C.A点低于B点 D.铜环将做等幅摆动
二、填空题
11.如图所示的电路,L为自感线圈,R是一灯泡,当S闭合的瞬间,通过灯泡的电流方向是________。当S断开的瞬间,通过灯泡的电流方向是________。
12.(2019 蚌埠期末)磁电式仪表的线圈通常用铝框做骨架,把线圈绕在铝框上,这样做的目的是 (选择“防止”或“利用”)涡流而设计的,起______(选填“电磁阻尼”或“电磁驱动”)的作用.
13.(2019 姜堰市模拟)如图所示的电路,当开关闭合时,小灯泡将_______(选填“逐渐”或“立刻”)变亮。当开关断开时,小灯泡将(选填“逐渐”或“立刻”)_____熄灭。 
三、解答题
14.如图所示,一狭长的铜片能绕0点在纸平面内摆动,有界的磁场其方向垂直纸面向里,铜片在摆动时受到较强的阻尼作用,很快就停止摆动。如果在铜片上开几个长缝,铜片可以在磁场中摆动较多的次数后才停止摆动,这是为什么?

15.如图所示,把蹄形磁铁的两极靠近一个金属圆盘(不接触),当磁铁绕轴转动时,圆盘会转动吗?说明理由。

16.(2019 台州校级月考)如图所示,一个质量为m、电阻为R的金属小圆环(半径很小),用一根长为L的绝缘细绳悬挂于O点,离O点下方处有一宽度为的垂直纸面向里的匀强磁场区域,现使圆环从与悬点O等高位置A处由静止释放,下摆中金属环所在平面始终垂直磁场,则金属环在整个过程中产生多少焦耳热?
17.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=0.4m,B1=B2=1 T,磁场运动速度v=5 m/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=1 N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=1 N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?
【答案与解析】
一、选择题
1.【答案】BD
【解析】由于自感的作用,闭合开关S时,B灯比A灯先亮,最后一样亮,选项A、C错误B正确;断开开关S时,L中产生自感电动势,A灯与B灯同时慢慢熄灭,选项D正确。
2.【答案】AC
【解析】本题是一道电感线圈和电容器相结合的综合题,既考查了断电自感现象,又考查了电容器的充、放电问题。注意到电感线圈的直流电阻不计,说明当流过电感线圈的电流不变时,可以把它当作导线;S断开的瞬间,电感线圈又相当于电源向外供电。电容器a、b两极的电压决定了它们的带电情况。断开S前,电路稳定,L相当于无电阻的导线,则Uab=0,从而电容器的带电荷量为零,A项正确。断开S的瞬间,由于L的自感作用,L中仍然存在着一个自右向左的电流。L与C构成了回路,则L中的电流要向C充电,使a极板带正电,b极板带负电,故C项正确。
3.【答案】AC
【解析】没关电视先拔电源插头时,L1、L2中会产生很大的自感电流而可能烧坏自身和C2,C1因有R的保护不 会被烧坏,故选A、C。
4.【答案】BC
【解析】日光灯工作时都要经过预热、启动和正常工作三个不同的阶段,它们的工作电流通路如图所示。

在启动阶段镇流器与启动器配合产生瞬间高压。工作后,电流由镇流器经灯管,不再流过启动器,故日光灯启动后启动器不再工作,而镇流器还要起降压限流作用,不能去掉,故选B、C。
5.【答案】D
【解析】当滑动片从A端迅速滑向B端时,总电阻减小,总电流增大,L产生自感电动势阻碍增大,故I1比P稳定在C点时的电流I0小;当P从B端迅速滑向A端时总电流减小,L自感电动势阻碍减小,自感电流方向与原电流方向相同,故I2大于P稳定在C点时的电流I0,故D正确。
6.【答案】D
【解析】S断开瞬间,由于三的自感作用阻碍其原有电流的变化,在S断开后,L与R1、R2构成的回路中的电流由原来L上的电流逐渐减小到零。对于R1来说,在S断开瞬间,其电流方向发生改变,故A、B、C都不正确。
7.【答案】D
【解析】金属探测器利用的是电磁感应现象,探测器处在交变电流产生的磁场中,变化的磁场在金属中产生涡流,金属物品产生的涡流变化频率与交变电流的频率相同,故A错误;金属探测器探测金属时,被测金属中感应出涡流,与探测器中通有的交变电流频率无关,故B错误;当探测器中的交变电流频率变小时,金属中产生的涡流感应电流就减小,不容易探测出尺寸小,电阻率大的物品,故C错误;探测器只能检测是否有金属,但是无法区分金属的种类,故D正确。
8.【答案】B
【解析】小球在通电线圈磁场中运动,小球中产生涡流,所以小球要受到安培力作用阻碍它的相对运动而使它做阻尼振动。
9.【答案】D
【解析】小球在磁场中运动有涡流产生,要受到阻力。
10.【答案】B
【解析】本题考查了电磁阻尼现象和能量转化情况。铜环在进入和穿出磁场的过程中,穿过环的磁通量发生变化,环中有感应电流产生,将损耗一定的机械能,所以A点高于B点。
二、填空题
11.【答案】A→R→B B→R→A
12.【答案】利用,电磁阻尼.
【解析】常用铝框做骨架,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,出现安培阻力,使其很快停止摆动.而塑料做骨架达不到电磁阻尼的作用,这样做的目的是利用涡流。
13.【答案】逐渐;立刻
【解析】当开关闭合时,通过线圈L的电流增大,穿过线圈的磁通量增大,线圈产生的感应电动势阻碍电流的增大,电路的电流只能逐渐增大,A逐渐亮起来。当开关断开时,电路断开,线圈和灯泡不能构成回路,故电流立即为零,故小灯泡立刻熄灭。
三、解答题
14.【答案】见解析
【解析】没有开长缝的铜片在磁场中摆动时,铜片内将产生较大的涡流,涡流在磁场中所受的安培力总是阻碍铜片的摆动,因此铜片很快就停止摆动。如果在铜片上开有多条长缝,就可以把涡流限制在缝与缝之间的各部分铜片上,较大地削弱了涡流,阻力随之减小,所以铜片可以摆动多次后才停止摆动。
15.【答案】见解析
【解析】当蹄形磁铁转动时,相当于金属圆盘向反方向做切割磁线的转动,在金属圆盘里形成涡流。根据楞次定律可知,金属圆盘中的涡流受到的磁场力的作用是阻碍圆盘和蹄形磁铁之间的相对运动,所以圆盘随磁铁一起转动,但圆盘的转速要小于磁铁的转速,两者转动方向相同。
16.【答案】
【解析】金属环穿过磁场的过程中,产生感应电流,金属环中产生焦耳热,环的机械能减少,当环在磁场下方摆动,不再进入磁场时,摆动稳定,金属环中产生的焦耳热等于环减少的机械能,由能量守恒定律,得
17.【答案】(1)见解析 (2)vm=1.875 m/s (3)P=5 W,即每秒钟消耗5 J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。如果线框是处于虚线位置,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。故只要两者处于相对运动状态,线框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5 m/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=1 N的阻力时,达最大速度时受力平衡,,式中,,v-vm为磁场速度和线框最大速度之差,即相对速度,所以。(3)消耗的能量由两部分组成,一是转化为线框的内能,二是克服阻力做功,所以消耗能量的功率为,式中,,所以P=[(1.25)2×2+1×1.875] W=5 W,这些能量是由磁场提供的。

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