高中物理 第四章 电磁感应 第7节 涡流电磁阻尼和电磁驱动教学案 新人教版选修32.docx

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高中物理第四章电磁感应第7节涡流电磁阻尼和电磁驱动教学案新人教版选修32

第7节涡流、电磁阻尼和电磁驱动

1.线圈中的电流变化时，线圈附近的导体中会产生涡流，涡流会产生热量，因此在日常生活中，既要防止有害涡流，又要利用有益涡流。

2．导体在磁场中运动，感应电流会使导体受到安培力阻碍其运动，即为电磁阻尼。

3．磁场运动时，在磁场中的导体内会产生感应电流，使导体受到安培力的作用而运动起来，即为电磁驱动。

一、涡流

1．定义

由于电磁感应，在导体中产生的像水中旋涡样的感应电流。

2．特点

若金属的电阻率小，涡流往往很强，产生的热量很多。

3．应用

（1）涡流热效应：

如真空冶炼炉、电磁炉（图471）。

图471

（2）涡流磁效应：

如探雷器、安检门。

4．防止

电动机、变压器等设备中应防止铁芯中涡流过大而导致浪费能量，损坏电器。

（1）途径一：

增大铁芯材料的电阻率。

（2）途径二：

用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯代替整个硅钢铁芯。

二、电磁阻尼和电磁驱动

1．电磁阻尼

（1）概念：

当导体在磁场中运动时，感应电流会使导体受到安培力，安培力的方向总是阻碍导体运动的现象。

（2）应用：

磁电式仪表中利用电磁阻尼使指针迅速停止到某位置，便于读数。

2．电磁驱动

（1）概念：

磁场相对导体转动时，导体中产生感应电流，感应电流使导体受到安培力的作用，安培力使导体运动起来的现象。

（2）应用：

交流感应电动机。

1．自主思考——判一判

（1）涡流也是一种感应电流。

（√）

（2）导体中有涡流时，导体本身会产热。

（√）

（3）利用涡流制成的探雷器可以探出“石雷”。

（×）

（4）电磁阻尼和电磁驱动均遵循楞次定律。

（√）

（5）电磁阻尼发生的过程中，存在机械能向内能的转化。

（√）

（6）电磁驱动时，被驱动的导体中有感应电流。

（√）

2．合作探究——议一议

（1）块状金属在匀强磁场中运动时，能否产生涡流？

提示：

不能。

块状金属在匀强磁场中运动时，穿过金属块的磁通量不变，所以金属块中不产生涡流。

（2）利用涡流加热时，为什么使用高频交流电源？

提示：

涡流就是感应电流，使用高频交流电源，能产生高频变化的磁场，磁场中导体内的磁通量的变化更迅速，产生的感应电流更大，加热效果更好。

（3）电磁灶的原理是什么？

提示：

电磁灶是利用涡流原理制成的。

它利用交变电流通过线圈产生交变磁场，从而在铁质锅的底部产生无数强大的小涡流，使锅体迅速发热，然后加热锅内的食物。

对涡流的理解及应用

本质

电磁感应现象

条件

穿过金属块的磁通量发生变化，并且金属块本身可自行构成闭合回路

特点

整个导体回路的电阻一般很小，感应电流很大

产生

（1）块状金属放在变化的磁场中

（2）块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动

1.光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图472所示，抛物线的方程为y＝x2，其下半部处在一个水平方向的匀强磁场中，磁场的上边界是y＝a的直线（如图中的虚线所示）。

一个小金属块从抛物线上y＝b（b>a）处以速度v沿抛物线下滑，假设曲面足够长，则金属块在曲面上滑动的过程中产生的焦耳热总量是（　　）

图472

A．mgb　　　　　　　　B.

mv2

C．mg（b－a）D．mg（b－a）＋

mv2

解析：

选D　由初状态到末状态（金属块在磁场区域内往复运动）能量守恒。

初状态机械能E1＝mgb＋

mv2

末状态机械能E2＝mga

焦耳热Q＝E1－E2＝mg（b－a）＋

mv2。

2.（多选）高频焊接原理示意图，如图473所示，线圈通以高频交流电，金属工件的焊缝中就产生大量焦耳热，将焊缝熔化焊接，要使焊接处产生的热量较大可采用（　　）

图473

A．增大交变电流的电压

B．增大交变电流的频率

C．增大焊接缝的接触电阻

D．减小焊接缝的接触电阻

解析：

选ABC　增大交变电流的电压和交变电流的频率均可使电流的变化率增大，由E＝n

知，感应电动势和涡流均增大，焊接处的发热功率增大，若增大焊接缝的接触电阻，则焊接处的电压、功率分配就越大，产生的热量就会越大，故A、B、C均正确，D错误。

3.（多选）如图474所示是冶炼金属的感应炉的示意图。

高频感应炉中装有待冶炼的金属，当线圈中通有电流时，通过产生涡流来熔化金属。

以下关于高频感应炉的说法中正确的是（　　）

图474

A．高频感应炉的线圈中必须通有变化的电流，才会产生涡流

B．高频感应炉的线圈中通有恒定的电流，也可以产生涡流

C．高频感应炉是利用线圈中的电流产生的焦耳热使金属熔化的

D．高频感应炉是利用炉内金属中的涡流的热效应使金属熔化的

解析：

选AD　高频感应炉是在线圈中通入交流电，在炉内的金属中产生涡流，涡流产生的热量使金属熔化，交流电的频率越高，产生的热量越多，故A、D正确，B、C错误。

电磁阻尼与电磁驱动的理解

电磁阻尼

电磁驱动

不同点

成因

由导体在磁场中运动形成

由磁场运动形成

效果

安培力的方向与导体运动方向相反，为阻力

安培力的方向与导体运动方向相同，为动力

能量转化

导体克服安培力做功，其他形式的能转化为电能，最终转化为内能

磁场能转化为电能，通过安培力做功，电能转化为导体的机械能

相同点

两者都是电磁感应现象，导体受到的安培力都是阻碍导体与磁场的相对运动

[典例]　（多选）位于光滑水平面的小车上水平固定一螺线管，一个比螺线管长的条形磁铁沿着螺线管的轴线以初速度v0穿入螺线管，并最终穿出，如图475所示，在此过程中（　　）

图475

A．磁铁做匀速直线运动

B．磁铁做减速运动

C．小车向右做加速运动

D．小车先加速后减速

[审题指导]　

（1）“光滑水平面”说明小车运动中不受摩擦力作用。

（2）磁铁穿过螺线管说明磁铁相对螺线管运动，属于电磁驱动现象。

[解析]　磁铁水平穿入螺线管时，螺线管中将产生感应电流，由楞次定律可知产生的感应电流将阻碍磁铁的运动；同理，磁铁穿出时，由楞次定律可知产生的感应电流将阻碍磁铁的运动，故整个过程中，磁铁做减速运动，选项A错误，B正确。

对于小车上的螺线管来说，螺线管受到的安培力方向始终为水平向右，这个安培力使螺线管和小车向右运动，且一直做加速运动，选项C正确，D错误。

[答案]　BC

应用楞次定律及其推广含义可以快速求解电磁阻尼和电磁驱动类问题。

1.如图476所示，蹄形磁铁和矩形线圈均可绕竖直轴OO′转动。

从上向下看，当磁铁逆时针转动时，则（　　）

图476

A．线圈将逆时针转动，转速与磁铁相同

B．线圈将逆时针转动，转速比磁铁大

C．线圈转动时将产生感应电流

D．线圈转动时感应电流的方向始终是abcda

解析：

选C　本题考查电磁驱动和楞次定律。

当磁铁逆时针转动时，相当于磁铁不动而线圈顺时针旋转切割磁感线，线圈中产生感应电流，故C对；当线圈相对磁铁转过90°时电流方向不再是abcda，D错；由楞次定律的推广含义可知，线圈将与磁极同向转动，但转动的角速度一定小于磁铁转动的角速度。

如两者的角速度相同，磁感线与线圈处于相对静止，线圈不切割磁感线，无感应电流产生，故A、B错。

2.如图477所示，条形磁铁用细线悬挂在O点。

O点正下方固定一个水平放置的铝线圈。

让磁铁在竖直面内摆动，下列说法中正确的是（　　）

图477

A．磁铁左右摆动一次，线圈内感应电流的方向改变2次

B．磁铁始终受到感应电流磁场的斥力作用

C．磁铁所受到的感应电流对它的作用力始终是阻力

D．磁铁所受到的感应电流对它的作用力有时是阻力有时是动力

解析：

选C　磁铁向下摆动时，根据楞次定律，线圈中产生逆时针方向感应电流（从上面看），并且磁铁受到感应电流对它的作用力为阻力，阻碍它靠近；磁铁向上摆动时，根据楞次定律，线圈中产生顺时针方向感应电流（从上面看），磁场受感应电流对它的作用力仍为阻力，阻碍它远离，所以磁铁在左右摆动一次过程中，电流方向改变3次，感应电流对它的作用力始终是阻力，只有C项正确。

3.如图478所示，弹簧上端固定，下端挂一只条形磁铁，使磁铁上下振动，磁铁的振动幅度不变。

若在振动过程中把线圈靠近磁铁，如图所示，观察磁铁的振幅将会发现（　　）

图478

A．S闭合时振幅逐渐减小，S断开时振幅不变

B．S闭合时振幅逐渐增大，S断开时振幅不变

C．S闭合或断开，振幅变化相同

D．S闭合或断开，振幅都不发生变化

解析：

选A　S断开时，磁铁振动穿过线圈的磁通量发生变化，线圈中无感应电流，振幅不变；S闭合时线圈中有感应电流，磁铁的机械能越来越少，振幅逐渐减小，选项A正确。

1．下列做法中可能产生涡流的是（　　）

A．把金属块放在匀强磁场中

B．让金属块在匀强磁场中做匀速运动

C．让金属块在匀强磁场中做变速运动

D．把金属块放在变化的磁场中

解析：

选D　涡流就是整个金属块中产生的感应电流，所以产生涡流的条件就是在金属块中产生感应电流的条件，即穿过金属块的磁通量发生变化。

而A、B、C中磁通量不变化，所以A、B、C错误，把金属块放在变化的磁场中时，穿过金属块的磁通量发生了变化，有涡流产生，所以D正确。

2．（多选）变压器的铁芯是利用薄硅钢片叠压而成，而不采用一整块硅钢，这是为了（　　）

A．增大涡流，提高变压器的效率

B．减小涡流，提高变压器的效率

C．增大涡流，减小铁芯的发热量

D．减小涡流，减小铁芯的发热量

解析：

选BD　涡流的主要效应之一就是发热，而变压器的铁芯发热，是我们不希望出现的。

所以不采用整块硅钢，而采用薄硅钢片叠压在一起，目的就是减小涡流，从而减小铁芯的发热量，进而提高变压器的效率。

故B、D正确。

3．目前金属探测器已经广泛应用于各种安检、高考及一些重要场所，关于金属探测器的下列有关论述中正确的是（　　）

A．金属探测器可用于月饼生产中，用来防止细小的金属颗粒混入月饼馅中

B．金属探测器能帮助医生探测儿童吞食或扎到手脚中的金属物，是因为探测器的线圈中能产生涡流

C．使用金属探测器时，应该让探测器静止不动，探测效果会更好

D．能利用金属探测器检测考生是否携带手机等违禁物品，是因为探测器的线圈中通有直流电

解析：

选A　金属探测器是通过其通有交流电的探测线圈，会在被探测的金属中激起涡流，反射回探测线圈，从而改变原交流电的大小，起到探测作用。

当探测器相对于被测金属发生移动时，探测器的线圈中的交流电产生的磁场相对变化较快，在金属中产生的涡流会更强，检测效果更好。

故A正确。

4.（多选）一块铜片置于如图1所示的磁场中，如果用力把这块铜片从磁场中拉出或把它进一步推入，在这两个过程中有关磁场对铜片的作用力，下列叙述正确的是（　　）

图1

A．拉出时受到阻力

B．推入时受到阻力

C．拉出时不受磁场力

D．推入时不受磁场力

解析：

选AB　铜片无论被拉出还是被推入，由于电磁感应，铜片中都会产生感应电流，所受安培力阻碍相对运动，产生电磁阻尼效果，所以A、B正确。

5.（多选）图2所示是电表中的指针和电磁阻尼器，下列说法中正确的是（　　）

图2

A．2是磁铁，在1中产生涡流

B．1是磁铁，在2中产生涡流

C．该装置的作用是使指针能够转动

D．该装置的作用是使指针能很快稳定

解析：

选AD　1在磁铁2中转动时产生涡流，受到安培力作用阻碍指针的转动，使之能很快稳定下来，故A、D正确。

6．下列磁场垂直加在圆盘上，不能产生涡流的是（　　）

解析：

选A　稳定的磁场不能产生涡流。

7.如图3所示，在光滑绝缘水平面上，有一铝质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（　　）

图3

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

解析：

选D　小球在进出磁场过程中穿过小球的磁通量发生变化，有涡流产生，要受到阻力。

8.（多选）如图4所示，闭合金属环从曲面上h高处滚下，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（　　）

图4

A．若是匀强磁场，环滚上的高度小于h

B．若是匀强磁场，环滚上的高度等于h

C．若是非匀强磁场，环滚上的高度等于h

D．若是非匀强磁场，环滚上的高度小于h

解析：

选BD　若是匀强磁场，环中磁通量不变，无感应电流产生，环的机械能守恒，A错，B对；若为非匀强磁场，则环中磁通量变化，产生感生电流，机械能减少，C错，D对。

9.如图5所示，蹄形磁铁的两极之间放置一个线圈abcd，磁铁和线圈都可以绕OO′轴转动，当磁铁按图示方向绕OO′轴转动时，线圈的运动情况是（　　）

图5

A．俯视，线圈顺时针转动，转速与磁铁相同

B．俯视，线圈逆时针转动，转速与磁铁相同

C．线圈与磁铁转动方向相同，但转速小于磁铁的转速

D．线圈静止不动

解析：

选C　当磁铁转动时，由楞次定律知，线圈中有感应电流产生，以阻碍磁通量的增加，即感应电流的方向必定是使其受到的力矩的方向与磁铁转动方向相同，以减小磁通量的增加，因而线圈跟着转起来，但转速小于磁铁的转速。

如果转速相等，线圈中的磁通量不再变化，起“驱动”作用的安培力将消失。

10.如图6所示，一个铜质圆环，无初速度地自位置Ⅰ下落到位置Ⅱ，若圆环下落时其轴线与磁铁悬线重合，圆环面始终水平。

位置Ⅰ与位置Ⅱ的高度差为h，则运动时间（　　）

图6

A．等于

　　　　　B．大于

C．小于

D．无法判定

解析：

选B　由于电磁阻尼，阻碍铜质圆环的下落，所以下落时间大于

。

11.（多选）如图7所示，在蹄形磁铁的两极间有一可以自由转动的铜盘（不计各种摩擦），现让铜盘转动。

下面对观察到的现象描述及解释错误的是（　　）

图7

A．铜盘中没有感应电动势、没有感应电流，铜盘将一直转动下去

B．铜盘中有感应电动势、没有感应电流，铜盘将一直转动下去

C．铜盘中既有感应电动势又有感应电流，铜盘将很快停下

D．铜盘中既有感应电动势又有感应电流，铜盘将越转越快

解析：

选ABD　铜盘转动时，根据法拉第电磁感应定律及楞次定律知，盘中有感应电动势，也产生感应电流，并且受到阻尼作用，机械能很快转化为电能进而转化为焦耳热，铜盘将很快停下，故C对，A、B、D错。

12.如图8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。

图8

（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＝

MvA2＋

mvB2＋E电。

即E电＝mgh－

MvA2－

mvB2。

答案：

（1）向右运动　

（2）mgh－

MvA2－

mvB2

13.如图9所示，一狭长的铜片能绕O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？

图9

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。

答案：

见解析