2.3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动 同步练习-2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第二册

2.3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动 分层一：夯实基础训练 一、单选题：本题共7小题，共28分。在每小题给出的四个选项中，只有一项符合题目要求，每小题4分 1．如图所示，足够长铝管竖直放置在水平桌面上，把一小磁体从铝管上端管口放入，小磁体不与管壁接触，且无翻转，不计空气阻力。小磁体在铝管内下落的过程中（　　） A．小磁体做自由落体动 B．小磁体的加速度可能大于重力加速度 C．小磁体动能的增加量大于重力势能的减少量 D．铝管对桌面的压力大于铝管的重力 2．下列四幅教材插图，属于电磁驱动应用的是（　　） A．甲：选用铝框做磁电式电表骨架 B．乙：利用真空冶炼炉来冶炼金属 C．丙：转动把手时蹄形磁铁两极间的铝框随之同向转动 D．丁：在运输灵敏电流表时用导线把两接线柱连在一起 3．如图所示，使一个铜盘绕竖直的轴匀速转动，且假设摩擦等阻力不计，现把一个蹄形磁铁移近铜盘，则下列说法正确的是（　　） A．铜盘的转动将变快 B．铜盘的转动将变慢 C．铜盘仍以原来的转速转动 D．无法判断铜盘的转动情况 4．磁力刹车是游乐场中过山车采用的一种新型刹车装置，比靠摩擦力刹车更稳定。如图为该新型装置的原理图（从后面朝前看），过山车的两侧装有铜片，停车区的轨道两侧装有强力磁铁，当过山车进入停车区时，铜片与磁铁的相互作用能使过山车很快停下来。下列说法正确的是（　　） A．磁力刹车不属于电磁驱动现象 B．磁力刹车的过程中电能转化为动能 C．磁力刹车过程需要给车通入合适的电流 D．过山车的速度越大，进入停车区时由电磁作用引起的刹车阻力越小 5．有一个铜盘，轻轻拨动它，能长时间地绕轴自由转动。如果在转动时把U形磁铁放在铜盘边缘，但并不与铜盘接触，则铜盘（　　） A．不受影响，和原先一样转动 B．比原先更快地转动 C．比原先需要更长时间停下来 D．很快停下来 6．电磁炉（如图所示）的炉盘下有一组线圈，电磁炉工作时，炉盘上的铁锅会发热，为使铁锅迅速发热，线圈应接怎样的电源（　　） A．迅速变化的电流 B．直流低压 C．直流高压 D．缓慢变化的电流 7．台风“贝碧嘉”的中心于2024年9月16日7点30分前后在上海浦东临港新城登陆。由中国自行设计、安装在上海中心大厦125层的千吨“慧眼”——电涡流调谐质量阻尼器开始晃动，守护大楼抵抗强风。如图所示为电涡流调谐质量阻尼器的模型图，简称电涡流TMD。当结构振动时，固定在质量块上的永磁体与其下方固定的导体产生相对运动，从而在固定的导体上产生抑制质量块相对运动的电涡流，起到减振保护大楼的作用。下列说法错误的是（　　） A．上海中心大厦在台风作用下的振动不是受迫振动 B．电涡流TMD不能通过改变大厦的固有频率来减小大厦的振动 C．电涡流TMD通过电涡流将振动能量转化成热能，从而达到减振的效果 D．永磁体与导体之间发生相对运动时，二者均会受到与相对运动方向相反的阻力，从而起到减振的作用 分层二：能力提升训练 二、多选题：本题共3小题，共18分。在每小题给出的四个选项中，有多项符合题目要求。每小题6分，全部选对的得6分，选对但不全的得3分，有选错或不答的得0分。 8．如图，某科技小组利用电磁感应的原理设计了一款电梯坠落缓冲装置。如图，在电梯轿厢上安装永久强磁铁，井壁固定水平方向的闭合线圈A、B，当电梯坠至图示位置时，下列说法不正确的是（    ） A．俯视看，线圈A中产生逆时针方向的感应电流 B．磁铁对线圈A产生的安培力方向向上 C．若拆掉线圈B，缓冲效果会更好 D．若增加线圈A、B的匝数，缓冲效果会更好 9．如图所示，铜板放在绝缘地面上，铜板的正上方悬挂着用绝缘材料制成的轻弹簧，劲度系数为k，弹簧下端吊着质量为m的条形磁铁。重力加速度为g．当弹簧处于原长时，由静止释放条形磁铁，弹簧的形变在弹性限度内。不计空气阻力，则（    ） A．条形磁铁再次上升到最高点时，弹簧仍处于原长 B．磁铁向下运动过程中，弹簧向上的拉力与铜板中感应电流磁场对磁铁向上的磁场力之和等于磁铁重力时速度最大 C．在条形磁铁向下加速运动的过程中，条形磁铁减小的重力势能大于磁铁增加的动能与弹簧增加的弹性势能的和 D．当条形磁铁最后静止时，弹簧向上的拉力等于条形磁铁的重力 10．水平放置的铝盘可绕光滑转轴AB自由转动，在铝盘上方较近距离放置一个条形磁铁，绕转轴AB转动磁铁，发现静止的铝盘也会发生转动。下列说法不正确的是（　　） A．铝盘与磁铁转动方向相同 B．稳定后，铝盘转速等于磁铁转速 C．铝盘因为受到安培力而转动 D．磁铁停止转动，但不移开，铝盘会继续匀速转动 分层三：拓展训练 三、实验题（本大题共2小题，共16.0分。第一小题8分，第二小题8分） 11．电磁阻尼是楞次定律在电磁感应现象中的一种典型表现，我们利用这种运动特性研究金属的电阻率。如图（a）所示，将一金属管竖直放置，取一直径小于管内径的圆柱形强磁体放入管口，在强磁体沿金属管轴线下落的过程中会产生电磁阻尼。若金属管足够长，忽略空气阻力，根据有关理论可推算出磁体最终速度的表达式为，式中为常量，为强磁体的质量，分别为金属管内、外径，为金属管材料的电阻率，为当地重力加速度的大小。 (1)用游标卡尺测量黄铜管的内径，示数如图（b）所示，则黄铜管的内径 mm。实验时， （选填“应该”或“不应该”）选用内、外径大小相近的金属管。 (2)如图（c）所示，金属管下部开有水平小孔供光电门测速，当光电门1与光电门2分别测得强磁体的挡光时间 时，说明强磁体已在金属管内做匀速直线运动。 (3)在满足（2）的前提下，实验测得同一强磁体在尺寸相同的黄铜管、合金铝管内通过光电门的速度分别是，已知黄铜的电阻率，则可计算出该合金铝管的电阻率 （结果保留3位有效数字）。 12．为了验证楞次定律，老师把很轻的薄铝环A、B分别吊在绝缘细杆的两端，杆可绕中间竖直轴在水平面内转动，环A是闭合的，环B是断开的。    （1）老师用磁铁极分别接近和远离这两个圆环，发现 。 A．磁铁N极接近A环时，A环被吸引，而后被推开 B．磁铁N极远离A环时，A环被排斥，而后随磁铁运动 C． 用磁铁N极接近B环时，B环被推斥，远离磁铁运动 D．用磁铁的任意一磁极接近A环时，A环均被排斥 （2）甲同学想重复这个实验，他没有找到铝环，于是想用铁环替代，请问这样做是否可以 ？为什么 （3）乙同学把一个较厚的铝条弯成带缺口的铝环，缺口很窄，替换原有的环B，调整平衡后，用一块磁性很强的磁铁靠近有缺口的铝环，发现铝环被微微推开了一小段距离，试解释其中的原因 。 四、解答题（本大题共3小题，共38.0分。第一小题9分，第二小题13分，第三小题16分） 13．如图所示，某同学将一根长铜管静置于灵敏电子秤上，此时电子秤示数为。将一个直径略小于管内径的磁性小球，从铜管上端由静止释放，下落过程小球与管内壁无接触，在其落到铜管底部前，观察到电子秤的示数从开始逐渐增大到某一数值后保持不变，回答以下问题： (1)若将磁性小球换成大小相同的小铁球，从铜管上端由静止释放，在其落到铜管底部前，电子秤的示数变化情况如何？ (2)请分析电子秤的示数从开始逐渐增大的原因，以及到某一数值后保持不变的原因。 (3)试分析磁性小球在铜管内下落过程中的能量转化关系。 14．如图所示，铝制小球通过轻绳悬挂于O点，在O点正下方水平地面上放置一块磁铁。现将小球从a位置由静止释放，小球从左向右摆动，磁铁始终保持静止，忽略空气阻力，问： （1）小球能否摆到右侧与a点等高的c点？为什么？ （2）小球从a位置出发摆到右侧最高点的过程中，磁铁对地面的压力大小如何变化？磁铁所受的摩擦力方向如何？（无须说明原因） 15．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，杆上挂有一光滑螺旋管A。在弧形轨道上高为h的地方，无初速释放一磁铁B(可视为质点)，B下滑至水平轨道时恰好沿螺旋管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。 （1）螺旋管A将向哪个方向运动？ （2）全过程中整个电路所消耗的电能。 试卷第6页，共7页 试卷第8页，共8页 学科网（北京）股份有限公司 2.3 涡流、电磁阻尼和电磁驱动参考答案 1．D 【详解】AB．磁体在铝管中运动的过程中，虽不计空气阻力，但在下落过程中，受到方向向上的安培力，从而磁体的加速度小于重力加速度，所以磁体的运动不是自由落体运动，开始时重力大于安培力，合力向下，加速度向下，随着速度增加，向上的安培力变大，当重力等于安培力时合力为零，此时加速度为零，小磁体匀速下落，故A、B错误； C．磁体在整个下落过程中，除重力做功外，还有产生感应电流对应的安培力做功，导致减小的重力势能，部分转化为动能外，还要产生内能，故机械能不守恒，则磁体动能的增加量小于重力势能的减少量，故C错误； D．根据电磁阻尼原理可知，小磁体下落过程中受到的磁场力向上，由牛顿第三定律可知，铝管在磁体下落过程中受到向下的磁场力，所以铝管对桌面的压力大于铝管的重力，D正确。 故选D。 2．C 【详解】A．磁电式电表选用铝框做磁电式电表骨架是利用电磁阻尼，A错误； B．当炉外线圈通入高频交流电时，在铁块中会产生涡流，铁块中就会产生大量热量，从而冶炼金属，这是涡流的热效应，B错误； C．转动把手时蹄形磁铁两极间的铝框随之同向转动，这是电磁驱动，C正确； D．运输时要把灵敏电流计正、负接线柱用导线连在一起，这是为了保护电表指针，利用了电磁阻尼原理，D错误。 故选C。 3．B 【详解】当一个蹄形磁铁移近铜盘时，铜盘转动切割磁感线，产生感应电流，由楞次定律可知感应电流受的安培力阻碍其相对运动，所以铜盘的转动将变慢。也可以从能量守恒的角度去分析，因为铜盘转动切割磁感线，产生感应电流，铜盘的机械能不断转化成电能，铜盘转动会逐渐变慢。 故选B。 4．A 【详解】A．磁力刹车过程会产生涡流，属于电磁感应现象，不属于电磁驱动现象，故A正确； BC．磁力刹车的过程中，铜片穿过磁铁时产生涡流，在磁场中受到安培力作用，阻碍过山车的运动，故磁力刹车的过程中动能转化为电能，最终转化成内能，故BC错误； D．过山车的速度越大，铜片穿过磁铁时产生涡流越大，在磁场中受到安培力越大，进入停车区时由电磁作用引起的刹车阻力越大，故D错误。 故选A。 5．D 【详解】当铜盘转动时，切割磁感线，产生感应电动势，由于电路闭合，则出现感应电流，处于磁场中受到安培力作用，此力阻碍铜盘转动，使铜盘很快停下来。 故选D。 6．A 【详解】线圈中的电流变化，在附近的导体中（主要是铁锅的底部）产生感应电流，从而在导体中产生大量的热，这种涡流现象也是电磁感应；而迅速变化的电流，产生的感应电流较大，产生的热量越多。 故选A。 7．A 【详解】A．上海中心大厦在台风作用下的振动是受到外力作用下的振动，属于受迫振动，故A错误； B．物体的固有频率只跟物体本身有关，大厦振动时，电涡流TMD并没有改变大厦的质量和结构等因素，也没有改变大厦的固有频率，故B正确； CD．当结构振动时，固定在质量块上的永磁体与其下方固定的导体产生相对运动，从而在固定的导体上产生抑制质量块相对运动的电涡流，电涡流切割磁感线时会产生与相对运动方向相反的阻力，而导体的电阻通过热效应消耗掉振动的能量，从而起到减振耗能的作用，故CD正确。 故选A。 8．BC 【详解】A．由楞次定律，此时穿过线圈A的磁通量向上且减小，则线圈A产生由俯视来看的逆时针方向的感应电流，A正确； B．线圈A对磁铁有竖直向上的力，则磁铁对线圈A有竖直向下的安培力，B错误； CD．由楞次定律可知，两个线圈对磁铁的缓冲作用正向叠加，若拆掉线圈B，缓冲效果会变差，增加线圈A、B的匝数，线圈中的感应电流变大，缓冲效果会更好，C错误，D正确。 故选BC。 9．BCD 【详解】A．由于条形磁铁振动过程中，铜板中会产生涡流，产生热量，因此条形磁铁和弹簧组成的系统机械能会减小，因此再次上升到最高点，弹簧一定不在原长处，在原长处下方，故A错误； B．磁铁向下运动过程中，弹簧向上的拉力与铜板中感应电流磁场对磁铁向上的磁场力之和等于磁铁重力时速度最大，故B正确； C．当条形磁铁向下加速运动时，条形磁铁减小的重力势能等于磁铁增加的动能、弹簧增加的弹性势能及铜板中产生的内能之和，故C正确； D．条形磁铁静止后，铜板中没有涡流产生，磁铁的重力和弹簧的弹力平衡，故D正确。 故选BCD。 10．BD 【详解】AB．根据楞次定律可知，为阻碍磁通量增加，则导致铝盘与磁铁转动方向相同，但快慢不一，故A正确，B错误； CD．由以上分析可知，铝盘转动是因为由于电磁感应产生电流，而使铝盘内受到安培力而转动，磁铁停止转动，时铝盘也会停止转动，故D错误，C正确。 故选BD。 11．(1) 不应该 (2)相等 (3) 【详解】（1）[1][2]黄铜管的内径 如果选择内、外径大小相近的金属管，根据 可知最终速度会非常大，所以实验中不应该选择内、外径大小相近的金属管。 （2）当光电门1与光电门2分别测得强磁体的挡光时间相等时，由，可知强磁体已在金属管内做匀速直线运动。 （3）根据 可知， 解得 12． D 不可以 铁环会被磁铁磁化，总是吸引，不能复现实验现象 厚的铝环中会产生明显的局部小范围涡流，同样可以和磁场发生作用 【详解】（1）[1]AB．当磁铁靠近A环时，导致圆环A的磁通量变大，由楞次定律可得圆环A的感应电流，又处于磁场中，则受到安培力作用，使它远离磁铁，即被推开；若磁铁远离时，导致圆环A的磁通量变小，由楞次定律可得圆环A的感应电流，又处于磁场中，则受到安培力作用，使它靠近磁铁，即被吸引，故AB错误； C．对于圆环B，当磁铁靠近时，虽磁通量变大，有感应电动势，但由于不闭合，所以没有感应电流，则不受安培力作用，所以对于圆环B，无论靠近还是远离，都不会有远离与吸引等现象，故C错误； D．当磁铁的任意一磁极靠近时，导致圆环A的磁通量变大，由楞次定律可得圆环A的感应电流，使它远离磁铁，故D正确。 故选D； （2）[2][3]不可以，因为铁环会被磁铁磁化，总是吸引，不能复现实验现象； （3）[4]铝环被微微推开了一小段距离，是因为厚的铝环中会产生明显的局部小范围涡流，同样可以和磁场发生作用。 13．(1)见解析 (2)见解析 (3)见解析 【详解】（1）小铁球落到铜管底部前，电子秤示数始终为（或“始终不变”）。 （2）磁性小球在下落过程中，铜管的磁通量发生改变，产生感应电流（涡流），钢管受到向下的安培力，磁性小球受到向上的安培力，刚开始运动速度较小，安培力小于重力，小球加速，安培力增大，电子秤示数增大；当安培力与重力平衡时，小球将保持匀速，此时安培力大小不变，电子秤示数不变。 （3）小球的重力势能转化为小球的动能以及电能，电能最终转化为系统的内能，或“小球的一部分机械能转化成电能，电能最终转化为系统的内能。 14．（1）不能，原因见解析；（2）磁铁对地面的压力大小先变大，后变小，磁铁所受的摩擦力方向水平向左。 【详解】（1）铝制小球可以等效为很多垂直于运动平面的圆环，这些圆环在摆动过程中由于其磁通量发生变化，会产生感应电流，电流有热效应，会使小球的机械能减少，因此小球不能摆到右侧与a点等高的c点。 （2）我们取一个垂直于运动平面、平行于水平面的圆环来研究，当它处于磁铁N极正上方时如下图，在圆环从位置a到此位置过程中由楞次定律知圆环内部产生向下的磁场，即圆环下方等效为N极，与磁铁是相互排斥，磁铁静止不动，所以地面给磁铁的支持力变大，磁铁对地面的压力变大，同理圆环从图示位置向右运动时，磁铁对地面的压力变小，则磁铁对地面的压力大小先变大，后变小；在圆环从位置a到图示位置过程中，会有电磁阻尼的作用，电磁阻尼作用有向左的分力，反过来圆环通过磁场对磁铁有向右的作用力，则地面给磁铁水平向左的静摩擦力，同理圆环从图示位置到右侧最高点的过程中，地面给磁铁还是水平向左的静摩擦力。 15．（1）向右（2） 【详解】（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的动能和螺线管中所消耗的电能，所以则有 解得 2 学科网（北京）股份有限公司 $