第86講電磁感應(yīng)的應(yīng)用實(shí)例（解析版）

第86講電磁感應(yīng)的應(yīng)用實(shí)例1．（2017?北京）圖1和圖2是教材中演示自感現(xiàn)象的兩個(gè)電路圖，L1和L2為電感線圈。實(shí)驗(yàn)時(shí)，斷開開關(guān)S1瞬間，燈A1突然閃亮，隨后逐漸變暗；閉合開關(guān)S2，燈A2逐漸變亮，而另一個(gè)相同的燈A3立即變亮，最終A2與A3的亮度相同。下列說法正確的是（）A．圖1中，A1與L1的電阻值相同B．圖1中，閉合S1，電路穩(wěn)定后，A1中電流大于L1中電流C．圖2中，變阻器R與L2的電阻值相同D．圖2中，閉合S2瞬間，L2中電流與變阻器R中電流相等【解答】解：A、圖1中，斷開S1的瞬間，A1燈閃亮，是因?yàn)殡娐贩€(wěn)定時(shí)，A1的電流小于L的電流，則可知L的電阻小于A1的電阻，故A錯(cuò)誤；B、圖1中，閉合S1，電路穩(wěn)定后，斷開開關(guān)S1瞬間，燈A1突然閃亮，說明燈泡中的電流小于線圈中的電流，故B錯(cuò)誤；C、圖2中，因?yàn)橐^察兩只燈泡發(fā)光的亮度變化，兩個(gè)支路的總電阻相同，因兩個(gè)燈泡電阻相同，所以變阻器R與L2的電阻值相同，故C正確；D、圖2中，閉合S2瞬間，L2對(duì)電流有阻礙作用，所以L2中電流與變阻器R中電流不相等，故D錯(cuò)誤。故選：C。一.知識(shí)回顧1．互感現(xiàn)象兩個(gè)互相靠近的線圈，當(dāng)一個(gè)線圈中的電流變化時(shí)，它所產(chǎn)生的變化的磁場會(huì)在另一個(gè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這種現(xiàn)象叫作互感，這種感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)叫作互感電動(dòng)勢(shì)。2．自感現(xiàn)象(1)定義：當(dāng)一個(gè)線圈中的電流變化時(shí)，它所產(chǎn)生的變化的磁場在線圈本身激發(fā)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為自感。(2)自感電動(dòng)勢(shì)①定義：由于自感而產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。②表達(dá)式：E＝Leq\f(ΔI,Δt)。③自感系數(shù)L相關(guān)因素：與線圈的大小、形狀、匝數(shù)以及是否有鐵芯等因素有關(guān)。單位：亨利(H)，1mH＝10－3H,1μH＝10－6H。（3）自感現(xiàn)象的四大特點(diǎn)①自感電動(dòng)勢(shì)總是阻礙導(dǎo)體中原電流的變化。②通過線圈中的電流不能發(fā)生突變，只能緩慢變化。③電流穩(wěn)定時(shí)，自感線圈就相當(dāng)于普通導(dǎo)體。④線圈的自感系數(shù)越大，自感現(xiàn)象越明顯，自感電動(dòng)勢(shì)只是延緩了過程的進(jìn)行，但它不能使過程停止，更不能使過程反向。（4）自感中“閃亮”與“不閃亮”問題與線圈串聯(lián)的燈泡與線圈并聯(lián)的燈泡電路圖通電時(shí)電流逐漸增大，燈泡逐漸變亮電流突然增大，燈泡立刻變亮，然后電流逐漸減小達(dá)到穩(wěn)定，燈泡比剛通電時(shí)暗些斷電時(shí)電流逐漸減小，燈泡逐漸變暗，電流方向不變電路中穩(wěn)態(tài)電流為I1、I2①若I2≤I1，燈泡逐漸變暗；②若I2>I1，燈泡閃亮后逐漸變暗。兩種情況燈泡中電流方向均改變（5）分析、解決問題的要訣①通電自感：線圈相當(dāng)于一個(gè)變化的電阻——阻值由無窮大逐漸減小，通電瞬間自感線圈處相當(dāng)于斷路。②斷電自感：斷電時(shí)自感線圈相當(dāng)于電源，電流由恰好斷電前的值逐漸減小到零。③斷電自感現(xiàn)象中電流方向是否改變的判斷：與線圈在同一條支路的用電器中的電流方向不變；與線圈并聯(lián)的用電器中的電流方向改變。④電流穩(wěn)定時(shí)，自感線圈就是導(dǎo)體，是否需要考慮其電阻，根據(jù)題意而定。3．渦流：如果穿過導(dǎo)體的磁通量發(fā)生變化，由于電磁感應(yīng)，導(dǎo)體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流像水中的漩渦，所以叫作渦電流，簡稱渦流。4.電磁阻尼：當(dāng)導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電流會(huì)使導(dǎo)體受到安培力，安培力的方向總是阻礙導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為電磁阻尼。5.電磁驅(qū)動(dòng)：如果磁場相對(duì)于導(dǎo)體轉(zhuǎn)動(dòng)，在導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，它使導(dǎo)體受到安培力的作用，安培力使導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)起來，這種作用常常稱為電磁驅(qū)動(dòng)。交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)就是利用電磁驅(qū)動(dòng)的原理工作的。電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)的原理體現(xiàn)了楞次定律的推廣應(yīng)用。二.例題精析題型一：自感現(xiàn)象原理及應(yīng)用（多選）例1．如圖所示的電路中，三個(gè)燈泡L1、L2、L3的電阻關(guān)系為R1＝R2＝R3，電感L的直流電阻可忽略，D為理想二極管，電源內(nèi)阻不計(jì)。閉合開關(guān)S，電路電流穩(wěn)定后，再斷開開關(guān)S，下列說法中正確的是（）A．閉合開關(guān)S，L1立即變亮B．閉合開關(guān)S，L2逐漸變亮C．?dāng)嚅_開關(guān)S前后，L3中有電流且方向相反D．?dāng)嚅_開關(guān)S后，L2立即熄滅，L1、L3均逐漸變暗【解答】解：A、開關(guān)S閉合瞬間，L1的電路中由于線圈對(duì)電流的阻礙作用，L1會(huì)逐漸亮，故A錯(cuò)誤；B、開關(guān)S閉合狀態(tài)下二極管上的電壓為正向電壓，二極管導(dǎo)通，所以開關(guān)S閉合瞬間，L2均立即變亮，故B錯(cuò)誤；CD、各支路的電阻相等，則電路中的電流穩(wěn)定時(shí)各支路的電流相等；開關(guān)S從閉合狀態(tài)突然斷開時(shí)，L2、L3中原來的電流都消失；線圈L產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)要維持原來的電流，所以自感電動(dòng)勢(shì)方向向右，此時(shí)L2的電路中的二極管兩端的電壓為反向電壓，電流不能從右向左通過二極管，所以L2立即熄滅；此時(shí)線圈L與燈L1、L3組成自感回路，L1中電流的方向不變，L3中電流的方向與開始時(shí)相反，L1、L3均逐漸變暗，故CD正確。故選：CD。題型二：電磁阻尼例2．掃描隧道顯微鏡（STM）可用來探測樣品表面原子尺度上的形貌，為了隔離外界振動(dòng)對(duì)STM的擾動(dòng)，在圓底盤周邊沿其徑向?qū)ΨQ地安裝若干對(duì)紫銅薄板，并施加恒定磁場來快速衰減其微小振動(dòng)，如圖所示。出現(xiàn)擾動(dòng)后，對(duì)于紫銅薄板上下及左右振動(dòng)的衰減最有效的方案是（）A．B．C．D．【解答】解：裝置的原理是利用電磁阻尼。當(dāng)薄板進(jìn)出磁場時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流，薄板受安培力，安培力總是阻礙導(dǎo)體相對(duì)磁場的運(yùn)動(dòng)，從而使薄板盡快停下來。只有D項(xiàng)阻礙上下左右振動(dòng)最有效。故ABC錯(cuò)誤，D正確。故選：D。題型三：電磁驅(qū)動(dòng)例3．某種超導(dǎo)磁懸浮列車是利用超導(dǎo)體的抗磁作用使列車車體向上浮起，同時(shí)通過周期性地變換磁極方向而獲得推進(jìn)動(dòng)力．其推進(jìn)原理可以簡化為如圖所示的模型：在水平面上相距b的兩根平行直導(dǎo)軌間，有豎直方向等距離分布的方向相反的勻強(qiáng)磁場B1和B2，且B1＝B2＝B，每個(gè)磁場分布區(qū)間的長都是a，相間排列，所有這些磁場都以速度v向右勻速平動(dòng)．這時(shí)跨在兩導(dǎo)軌間的長為a寬為b的金屬框MNQP（懸浮在導(dǎo)軌正上方）在磁場力作用下也將會(huì)向右運(yùn)動(dòng)．設(shè)金屬框的總電阻為R，運(yùn)動(dòng)中所受到的阻力恒為f，求（1）列車在運(yùn)動(dòng)過程中金屬框產(chǎn)生的最大電流；（2）列車能達(dá)到的最大速度；（3）在（2）情況下每秒鐘磁場提供的總能量．【解答】解：（1）列車起動(dòng)時(shí)金屬框產(chǎn)生的電流最大，設(shè)為ImI（2）分析列車受力可得列車運(yùn)動(dòng)的加速度：a=F-f當(dāng)列車速度增大時(shí)，安培力F變小，加速度變小，當(dāng)a＝0時(shí)，列車速度達(dá)到最大，有：F＝f即F=2Bb解得：v（3）由能的轉(zhuǎn)化和守恒，磁場提供的能量一部分轉(zhuǎn)化為電路中的電能進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)榛芈返慕苟鸁?，另一部分克服阻力f做功，單位時(shí)間內(nèi)的焦耳熱為：Q＝I2R×1最大速度勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁場力等于阻力：f＝2BIb，I=可得阻力做功的功率為：Pf＝f?vm解得：E＝Q+Pf×1＝fv答：（1）列車在運(yùn)動(dòng)過程中金屬框產(chǎn)生的最大電流是2BbvR；（2）列車能達(dá)到的最大速度是v-Rf4B2b題型四：互感例4．如圖甲所示，A、B兩絕緣金屬環(huán)套在同一鐵芯上，A環(huán)中電流iA隨時(shí)間t的變化規(guī)律如圖乙所示，下列說法正確的是（）A．t1時(shí)刻，兩環(huán)作用力最大B．t2和t3時(shí)刻，兩環(huán)相互吸引C．t2時(shí)刻兩環(huán)相互吸引，t3時(shí)刻兩環(huán)相互排斥D．t3和t4時(shí)刻，兩環(huán)相互吸引【解答】解：A、t1時(shí)刻，A中電流產(chǎn)生磁場，磁場的變化使B中產(chǎn)生電流，才使兩線圈相互作用。所以，作用力最大的時(shí)刻，也就是A中電流變化最快的時(shí)刻。在乙圖中，“變化最快”也就是曲線的斜率最大。t1時(shí)刻斜率為0，這個(gè)瞬間磁場是不變化的，因此兩線圈沒有作用力，故A錯(cuò)誤。B、相互吸引還是相互排斥，就要看電流是增大還是減小了，t2時(shí)刻與t3時(shí)刻，均處于電流減小階段，根據(jù)楞次定律，可知，兩環(huán)的電流方向相同，則兩環(huán)相互吸引，故B正確，C錯(cuò)誤；D、雖然t4時(shí)刻的電流為零，但是根據(jù)該點(diǎn)的斜率，電流是變化的，也就是磁通量變化率大于0，但兩者沒有磁場力作用，故D錯(cuò)誤。故選：B。題型五：渦流例5．如圖所示，在一個(gè)繞有線圈的可拆變壓器鐵芯上分別放一小鐵鍋水和一玻璃杯水。給線圈通入電流，一段時(shí)間后，一個(gè)容器中水溫升高，則通入的電流與水溫升高的是（）A．恒定直流、小鐵鍋B．恒定直流、玻璃杯C．變化的電流、玻璃杯D．變化的電流、小鐵鍋【解答】解：由于容器中水溫升高，則是電能轉(zhuǎn)化成內(nèi)能所致。因此只有變化的電流才能導(dǎo)致磁通量變化，且只有小鐵鍋處于變化的磁通量時(shí)，才能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流。導(dǎo)致電流發(fā)熱。玻璃杯是絕緣體，不能產(chǎn)生感應(yīng)電流。故只有D正確，ABC錯(cuò)誤；故選：D。題型六：電子感應(yīng)加速器例6．現(xiàn)代科學(xué)研究中常用到高速電子，電子感應(yīng)加速器就是利用感生電場加速電子的設(shè)備．電子感應(yīng)加速器主要有上、下電磁鐵磁極和環(huán)形真空室組成．當(dāng)電磁鐵繞組通以變化的電流時(shí)，產(chǎn)生變化的磁場，穿過真空盒所包圍的區(qū)域內(nèi)的磁通量也隨時(shí)間變化，這時(shí)真空盒空間內(nèi)就產(chǎn)生感應(yīng)渦旋電場，電子將在渦旋電場作用下得到加速．如圖所示（上圖為側(cè)視圖、下圖為真空室的俯視圖），若電子被“約束”在半徑為R的圓周上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電磁鐵繞組通有圖中所示的電流時(shí)（）A．若電子沿逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，保持電流的方向不變，當(dāng)電流增大時(shí)，電子將加速B．若電子沿順時(shí)針運(yùn)動(dòng)，保持電流的方向不變，當(dāng)電流增大時(shí)，電子將加速C．若電子沿逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，保持電流的方向不變，當(dāng)電流減小時(shí)，電子將加速D．被加速時(shí)電子做圓周運(yùn)動(dòng)的周期不變【解答】解：A、線圈中的電流增強(qiáng)，磁場就增大了，根據(jù)楞次定律，感生電場產(chǎn)生的磁場要阻礙它增大，所以感生電場為順時(shí)針方向，即電流方向順時(shí)針，所以電子運(yùn)動(dòng)逆時(shí)針方向電場力作用下加速運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力約束下做圓周運(yùn)動(dòng)，故A正確，B錯(cuò)誤；C、線圈中的電流減小，磁場就減小了，根據(jù)楞次定律，感生電場產(chǎn)生的磁場要阻礙它減小，所以感生電場為逆時(shí)針方向，即電流方向逆時(shí)針，所以電子運(yùn)動(dòng)順時(shí)針方向電場力作用下加速運(yùn)動(dòng)，洛倫茲力約束下做圓周運(yùn)動(dòng)，當(dāng)磁場減小，根據(jù)楞次定律，可知渦旋電場的方向?yàn)槟鏁r(shí)針方向，電子將沿逆時(shí)針方向減速運(yùn)動(dòng)。故C錯(cuò)誤；D、在電子被加速過程中，由于磁場的變化，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)的周期變化，故只有AB正確，CD均錯(cuò)誤；故選：A。三.舉一反三，鞏固練習(xí)如圖，將一空的鋁質(zhì)易拉罐倒扣于筆尖上，在“冂”型木框兩側(cè)各固定一個(gè)強(qiáng)銣磁鐵，用電鉆控制木框勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)木框雖然不與易拉罐接觸，但易拉罐也會(huì)隨木框轉(zhuǎn)動(dòng)。則下列說法正確的是（）A．木框的轉(zhuǎn)速總比易拉罐的大B．易拉罐與木框的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反C．易拉罐與木框保持相同的轉(zhuǎn)速同方向轉(zhuǎn)動(dòng)D．兩個(gè)磁鐵必須異名磁極相對(duì)【解答】解：ABC、根據(jù)電磁驅(qū)動(dòng)原理，易拉罐與木框的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，木框的轉(zhuǎn)速總比易拉罐的大，故A正確，BC錯(cuò)誤；D、兩個(gè)磁鐵異名磁極或同名磁極相對(duì)均可，在磁極附近的易拉罐導(dǎo)體中都會(huì)產(chǎn)生渦流，在磁場受安培力使易拉罐跟著木框轉(zhuǎn)動(dòng)起來，故D錯(cuò)誤。故選：A。1824年，法國科學(xué)家阿拉果完成了著名的“阿拉果圓盤實(shí)驗(yàn)”。如圖所示，實(shí)驗(yàn)中將一銅圓盤水平放置，在其中心正上方用柔軟細(xì)線懸掛一枚可以自由旋轉(zhuǎn)的磁針，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)圓盤在磁針的磁場中繞圓盤中心的豎直軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁針也隨著一起轉(zhuǎn)動(dòng)起來，但略有滯后。下列說法正確的是（）A．圓盤中始終未發(fā)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象B．該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與真空冶煉爐的原理相同C．由于小磁針的磁性較弱，分析本現(xiàn)象時(shí)可以忽略小磁針的磁場D．探測地雷的探雷器的工作原理與本實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象無關(guān)聯(lián)【解答】解：小磁針的磁場穿過銅圓盤，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)磁通量發(fā)生改變，銅圓盤中產(chǎn)生渦流（旋渦似的感應(yīng)電流，以中心的豎直軸為圓心旋轉(zhuǎn)），而渦流在磁場中受到安培力，小磁針受到安培力的反作用力隨之一起轉(zhuǎn)動(dòng)起來，這種現(xiàn)象叫電磁驅(qū)動(dòng)。AC.小磁針的磁場使銅圓盤中發(fā)生了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，故AC錯(cuò)誤；BD.真空冶煉爐是利用高頻電流使?fàn)t內(nèi)產(chǎn)生渦流加熱金屬，探雷器是利用高頻電流產(chǎn)生變化的磁場遇到金屬時(shí)產(chǎn)生渦流而報(bào)警，與此原理相同，故BD正確。故選：B。人類經(jīng)過漫長的技術(shù)革命，在各領(lǐng)域取得巨大的進(jìn)步，例如在炊具中發(fā)明出電磁爐，它具有升溫快、效率高等優(yōu)點(diǎn)。下列有關(guān)電磁爐加熱原理說法正確的是（）A．電磁爐通過在面板中產(chǎn)生渦流加熱食物B．電磁爐通過紅外線的熱效應(yīng)加熱食物C．電磁爐通過電流流過電阻絲產(chǎn)生熱量加熱食物D．電磁爐的加熱鍋具不能選用陶瓷材料【解答】解：ABC.電磁爐利用電磁感應(yīng)原理制成，主要是鍋體中產(chǎn)生渦流利用電流的熱效應(yīng)而快速發(fā)熱的，故ABC錯(cuò)誤；D.鍋體只能用金屬材料，且鐵磁性導(dǎo)體材料才能產(chǎn)生最大的渦流，電熱轉(zhuǎn)換率最高，故不能使用選用陶瓷材料的鍋具，故D正確。故選：D。如圖所示的電路中，A1和A2是兩個(gè)完全相同的燈泡，線圈L自感系數(shù)足夠大，電阻可以忽略不計(jì)。則下列說法不正確的是（）A．合上開關(guān)S時(shí)，A2先亮，A1后亮，最后一樣亮B．?dāng)嚅_開關(guān)S時(shí)，A1和A2都要過一會(huì)兒才熄滅C．合上開關(guān)S穩(wěn)定后，流過A1的電流方向與流過A2的電流方向都向左D．?dāng)嚅_開關(guān)S時(shí)，流過A1的電流方向與流過A2的電流方向都向左【解答】解：AC、當(dāng)電鍵S閉合時(shí)，燈A2立即發(fā)光。通過線圈L的電流增大，穿過線圈的磁通量增大，根據(jù)楞次定律線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與原來電流方向相反，阻礙電流的增大，電路的電流只能逐漸增大，燈A1逐漸亮起來；所以燈A2比燈A1先亮。由于線圈直流電阻忽略不計(jì)，當(dāng)電流逐漸穩(wěn)定時(shí)，線圈不產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，兩燈電流相等，亮度相同，而且電流穩(wěn)定后，流過A1的電流方向與流過A2的電流方向都向左，故AC正確；BD、穩(wěn)定后當(dāng)電鍵S斷開后，由于自感，線圈中的電流只能慢慢減小，其相當(dāng)于電源，線圈L、燈A2與燈A1構(gòu)成閉合回路放電，兩燈都過一會(huì)兒熄滅，此時(shí)流過A1的電流方向仍然向右，而流過燈A2的電流方向向左；故B正確，D錯(cuò)誤。本題選擇錯(cuò)誤的，故選：D。如圖所示，電路中A、B是兩個(gè)完全相同的燈泡，L是一個(gè)自感系數(shù)很大、電阻可忽略的自感線圈，C是電容很大的電容器。在S剛閉合時(shí)與閉合足夠長時(shí)間之后，A、B兩燈泡的發(fā)光情況是（）A．S剛閉合時(shí)，A亮一下又逐漸變暗B．S剛閉合時(shí)，B亮一下又逐漸變暗C．S閉合足夠長時(shí)間后，A和B一樣亮D．S閉合足夠長時(shí)間后，A、B都熄滅【解答】解：開關(guān)剛閉合時(shí)，由于線圈自感系數(shù)很大，對(duì)電流阻礙作用很強(qiáng)，相當(dāng)于斷路，B燈與電容并聯(lián)后與A燈串聯(lián)，所以兩燈瞬間都亮，但由于線圈電阻可忽略，S閉合足夠長時(shí)間后，線圈相當(dāng)于導(dǎo)線，燈泡A被短路而熄滅，B燈中電流增大，所以A亮一下又逐漸變暗，燈泡B亮度增大，故A正確，BCD錯(cuò)誤。故選：A。如圖所示，電磁感應(yīng)式手機(jī)無線充電的原理與變壓器類似，在充電基座上的送電線圈接入交流電時(shí)產(chǎn)生磁場，手機(jī)中的受電線圈感應(yīng)出電流，實(shí)現(xiàn)為手機(jī)充電的目的。則在充電過程中（）A．受電線圈中感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場恒定不變B．送電線圈中電流產(chǎn)生的磁場是變化的磁場C．送電線圈和受電線圈不是