版高中物理第四章电磁感应7涡流电磁阻尼和电磁驱动教案新人教版选修32.docx

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版高中物理第四章电磁感应7涡流电磁阻尼和电磁驱动教案新人教版选修32

7　涡流、电磁阻尼和电磁驱动

[学科素养与目标要求]

物理观念：

1.了解涡流的产生、利用和危害.2.知道电磁驱动和电磁阻尼的原理及应用.

科学思维：

通过电磁驱动和电磁阻尼的实例分析，体会电磁驱动和电磁阻尼的产生机制，能分析电磁驱动和电磁阻尼的作用.

一、涡流

1.涡流：

当线圈中的电流随时间变化时，线圈附近的任何导体中都会产生感应电流，电流在导体中组成闭合回路，很像水中的旋涡，所以把它叫做涡电流，简称涡流.

2.涡流大小的决定因素：

磁场变化越快（

越大），导体的横截面积S越大，导体材料的电阻率越小，形成的涡流就越大.

二、电磁阻尼

当导体在磁场中运动时，导体中产生的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的运动，这种现象称为电磁阻尼.

三、电磁驱动

若磁场相对导体运动，在导体中会产生感应电流，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，这种作用常常称为电磁驱动.

判断下列说法的正误.

（1）导体中有涡流时，导体没有和其他元件组成闭合回路，故导体不会发热.（　×　）

（2）电磁阻尼和电磁驱动均遵循楞次定律.（　√　）

（3）电磁阻尼发生的过程，存在机械能向内能的转化.（　√　）

（4）电磁驱动中有感应电流产生，电磁阻尼中没有感应电流产生.（　×　）

一、涡流

如图所示，线圈中的电流随时间变化时，导体中有感应电流吗？

如果有，它的形状像什么？

答案　有.变化的电流产生变化的磁场，变化的磁场产生感生电场，使导体中的自由电子发生定向移动，产生感应电流，它的形状像水中的旋涡，所以把它叫做涡电流，简称涡流.

1.产生涡流的两种情况

（1）块状金属放在变化的磁场中.

（2）块状金属进出磁场或在变化的磁场中运动.

2.产生涡流时的能量转化

（1）金属块在变化的磁场中，磁场能转化为电能，最终转化为内能.

（2）金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动，由于克服安培力做功，金属块的机械能转化为电能，最终转化为内能.

3.涡流的应用与防止

（1）应用：

真空冶炼炉、探雷器、安检门等.

（2）防止：

为了减小电动机、变压器铁芯上的涡流，常用电阻率较大的硅钢做材料，而且用相互绝缘的硅钢片叠成铁芯来代替整块硅钢铁芯.

例1

　（多选）“电磁感应铝箔封口机”被广泛应用在医药、食品、化工等生产行业的产品封口环节中，如图1所示为一手持式封口机，它的工作原理是：

当接通电源时，内置线圈产生磁场，当磁感线穿过封口铝箔材料时，瞬间产生大量小涡流，致使铝箔自行快速发热，熔化复合在铝箔上的溶胶，从而粘贴在待封容器的封口处，达到迅速封口的目的.下列有关说法正确的是（　　）

图1

A.封口材料可用普通塑料来代替铝箔

B.该封口机可用干电池作为电源以方便携带

C.封口过程中温度过高，可适当减小所通电流的频率来解决

D.该封口机适用于玻璃、塑料等多种材质的容器封口，但不适用于金属容器

答案　CD

解析　由于封口机利用了电磁感应原理，故封口材料必须是金属类材料，而且电源必须是交流电源，A、B错误；减小内置线圈中所通电流的频率可降低封口过程中产生的热量，即控制温度，C正确；封口材料应是金属类材料，但对应被封口的容器不能是金属，否则同样会被熔化，只能是玻璃、塑料等材质，D正确.

例2

　（多选）下列哪些措施是为了防止涡流的危害（　　）

A.电磁炉所用的锅要用平厚底金属锅

B.机场、车站和重要活动场所的安检门可以探测人身携带的金属物品

C.变压器的铁芯不做成整块，而是用许多电阻率很大的硅钢片叠合而成

D.变压器的铁芯每片硅钢片表面有不导电的氧化层

答案　CD

解析　电磁炉是采用电磁感应原理，在金属锅上产生涡流，使锅体发热从而加热食物的，属于涡流的应用；安检门是利用涡流工作的；变压器的铁芯不做成整块，而是用许多电阻率很大的硅钢片叠合而成，是为了减小变压器铁芯内产生的涡流，属于涡流的防止；变压器的铁芯每片硅钢片表面有不导电的氧化层，是为了减小变压器铁芯内产生的涡流，属于涡流的防止.故C、D正确.

二、电磁阻尼

弹簧上端固定，下端悬挂一个磁铁.将磁铁托起到某一高度后放开，磁铁能上下振动较长时间才停下来.如果在磁铁下端放一个固定的闭合线圈，使磁铁上下振动时穿过它（如图所示），磁铁就会很快停下来，解释这个现象.

答案　当磁铁穿过固定的闭合线圈时，在闭合线圈中会产生感应电流，感应电流的磁场会阻碍磁铁靠近或离开线圈，也就使磁铁振动时除了受空气阻力外，还要受到线圈的磁场阻力，克服阻力需要做的功较多，机械能损失较快，因而会很快停下来.

1.闭合回路的部分导体在做切割磁感线运动产生感应电流时，导体在磁场中就要受到安培力的作用，根据楞次定律，安培力总是阻碍导体的运动，于是产生电磁阻尼现象.

2.电磁阻尼是一种十分普遍的物理现象，任何在磁场中运动的导体，只要给感应电流提供回路，就会存在电磁阻尼作用.

例3

　扫描隧道显微镜（STM）可用来探测样品表面原子尺度上的形貌.为了有效隔离外界振动对STM的扰动，在圆底盘周边沿其径向对称地安装若干对紫铜薄板，并施加磁场来快速衰减其微小振动，如图2所示.无扰动时，按下列四种方案对紫铜薄板施加恒定磁场；出现扰动后，对于紫铜薄板上下及其左右振动的衰减最有效的方案是（　　）

图2

答案　A

解析　感应电流产生的条件是闭合回路中的磁通量发生变化.在A图中，系统振动时，紫铜薄板随之上下及左右振动，都会使穿过紫铜薄板的磁通量发生变化，产生感应电流，受到安培力，阻碍系统的振动，故A正确；在B、D图中，只有紫铜薄板左右振动才产生感应电流，而上下振动无感应电流产生，故B、D错误；在C图中，无论紫铜薄板上下振动还是左右振动，都不会产生感应电流，故C错误.

三、电磁驱动

一个闭合线圈放在蹄形磁铁的两磁极之间，如图所示，蹄形磁铁和闭合线圈都可以绕轴转动.当蹄形磁铁顺时针转动时线圈也顺时针转动；蹄形磁铁逆时针转动时线圈也逆时针转动.

（1）蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量是否变化？

（2）线圈转动起来的动力是什么力？

线圈的转动速度与磁铁的转动速度之间有什么关系？

答案　

（1）变化.

（2）线圈内产生感应电流受到安培力的作用，安培力作为动力使线圈转动起来.线圈的转动速度小于磁铁的转动速度.

电磁阻尼与电磁驱动的比较

（1）电磁阻尼中安培力的方向与导体运动方向相反，阻碍导体运动；电磁驱动中导体所受安培力的方向与导体运动方向相同，推动导体运动.安培力的作用效果均是阻碍导体与磁场的相对运动.

（2）电磁阻尼中克服安培力做功，其他形式的能转化为电能，最终转化为内能；电磁驱动中由于电磁感应，磁场能转化为电能，通过安培力做功，部分电能转化为导体的机械能而对外做功.

例4

　如图3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3

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，转速比磁铁小

C.线圈将逆时针转动，转速比磁铁大

D.线圈静止不动

答案　B

解析　由楞次定律可知，线圈将与磁铁同向转动，但转速一定小于磁铁的转速.如两者的转速相同，磁感线与线圈处于相对静止状态，线圈不切割磁感线，无感应电流产生，B正确，A、C、D项错误.

[学科素养]　通过例3和例4，建立了电磁阻尼和电磁驱动的思维模型，加深了对电磁阻尼和电磁驱动的理解和区分，较好地体现了“科学思维”的学科素养.

1.（对涡流的理解）（多选）对变压器和电动机中的涡流的认识，以下说法正确的是（　　）

A.涡流会使铁芯温度升高，减少线圈绝缘材料的寿命

B.涡流发热，要损耗额外的能量

C.为了不产生涡流，变压器和电动机的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯

D.涡流产生于线圈中，对原电流起阻碍作用

答案　AB

解析　变压器和电动机中产生的涡流会使温度升高消耗能量，同时会减少线圈绝缘材料的寿命，选项A、B正确；变压器和电动机的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯是为了增加电阻，减小涡流，减少产生的热量，选项C错误；涡流产生于铁芯中，对原电流无阻碍作用，选项D错误.

2.（涡流的应用）电磁炉热效率高达90%，炉面无明火，无烟，无废气，“火力”强劲，安全可靠.图4所示是描述电磁炉工作原理的示意图，下列说法正确的是（　　）

图4

A.当恒定电流通过线圈时，会产生恒定磁场，恒定磁场越强，电磁炉加热效果越好

B.电磁炉通电线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作

C.在锅和电磁炉中间放一纸板，则电磁炉不能起到加热作用

D.电磁炉的锅不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅，主要原因是这些材料的导热性能较差

答案　B

解析　锅体中的涡流是由变化的磁场产生的，所加的电流是交流，不是直流，故A错误.根据电磁炉的工作原理可知，电磁炉通电线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作，故B正确；在锅和电磁炉中间放一纸板，不会影响电磁炉的加热作用，故C错误.金属锅自身产生无数小涡流而直接加热于锅底，陶瓷锅或耐热玻璃锅属于绝缘材料，里面不会产生涡流，故D错误.

3.（对电磁阻尼的理解）（多选）如图5所示是电表中的指针和电磁阻尼器，下列说法正确的是（　　）

图5

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地稳定

答案　AD

解析　当指针摆动时，1随之转动，2是磁铁，那么在1中产生涡流，2对1的安培力将阻碍1的转动；总之不管1向哪个方向转动，2对1的效果总起到阻尼作用，所以它能使指针很快地稳定下来，选项A、D正确.

4.（对电磁驱动的理解）（多选）1824年，法国科学家阿拉果完成了著名的“圆盘实验”.实验中将一铜圆盘水平放置，在其中心正上方用柔软细线悬挂一枚可以自由旋转的磁针，如图6所示.实验中发现，当圆盘在磁针的磁场中绕过圆盘中心的竖直轴旋转时，磁针也随着一起转动起来，但略有滞后.下列说法正确的是（　　）

图6

A.圆盘上产生了感应电动势

B.圆盘内的涡流产生的磁场导致磁针转动

C.在圆盘转动的过程中，磁针的磁场穿过整个圆盘的磁通量发生了变化

D.圆盘中的自由电子随圆盘一起运动形成电流，此电流产生的磁场导致磁针转动

答案　AB

考点一　涡流的理解、利用和防止

1.下列关于涡流的说法中正确的是（　　）

A.涡流跟平时常见的感应电流一样，都是因为穿过导体的磁通量变化而产生的

B.涡流不是感应电流，而是一种有别于感应电流的特殊电流

C.涡流有热效应，但没有磁效应

D.在硅钢中不能产生涡流

答案　A

解析　涡流的本质是电磁感应现象中产生的感应电流，只不过是由金属块自身构成回路，它既有热效应，也有磁效应，所以A正确，B、C错误；硅钢中产生的涡流较小，D错误.

2.（多选）安检门是一个用于安全检查的“门”，“门框”内有线圈，线圈里通有交变电流，交变电流在“门”内产生交变磁场，金属物品通过“门”时能产生涡流，涡流的磁场又反过来影响线圈中的电流，从而引起报警.以下关于这个安检门的说法正确的是（　　）

A.这个安检门能检查出毒品携带者

B.这个安检门只能检查出金属物品携带者

C.如果这个“门框”的线圈中通上恒定电流，也能检查出金属物品携带者

D.这个安检门工作时，既利用了电磁感应现象，又利用了电流的磁效应

答案　BD

解析　这个安检门是利用涡流工作的，因而只能检查出金属物品携带者，A错，B对.若“门框”的线圈中通上恒定电流，只能产生恒定磁场，它不能使块状金属产生涡流，因而不能检查出金属物品携带者，C错.安检门工作时，既利用了电磁感应现象，又利用了电流的磁效应，D对.

3.如图1所示，金属探测器是用来探测金属的仪器，关于其工作原理，下列说法中正确的是（　　）

图1

A.探测器内的探测线圈会产生稳定的磁场

B.只有有磁性的金属才会被探测器探测到

C.探测到金属是因为金属中产生了涡流

D.探测到金属是因为探测器中产生了涡流

答案　C

解析　金属探测器探测金属时，探测器内的探测线圈会产生变化的磁场，被测金属中产生了涡流，故选项A、D错误，C正确；所有的金属都能在变化的磁场中产生涡流，选项B错误.

4.（2018·龙岩市六校高二下学期期中）涡流检测是工业上无损检测的方法之一.如图2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（　　）

图2

A.涡流的磁场总是与线圈的磁场方向相反

B.涡流的大小与通入线圈的交流电频率无关

C.待测工件可以是塑料或橡胶制品

D.通电线圈和待测工件间存在周期性变化的作用力

答案　D

解析　涡流的磁场总是要阻碍穿过工件磁通量的变化，根据楞次定律可知，涡流的磁场与线圈的磁场方向可能相同也可能相反，故A错误；涡流的大小取决于磁场变化的快慢，故与通入线圈的交流电频率有关，故B错误；电磁感应只能发生在金属物体中，故待测工件只能是金属制品，故C错误；因为线圈交流电是周期性变化的，故在待测工件中引起的交流电也是周期性变化的，可知通电线圈和待测工件间存在周期性变化的作用力，故D正确.

5.（多选）如图3所示，磁电式仪表的线圈通常是用铝框做骨架，把线圈绕在铝框上，这样做的目的是（　　）

图3

A.防止涡流而设计的　　　　　B.利用涡流而设计的

C.起电磁阻尼的作用D.起电磁驱动的作用

答案　BC

解析　线圈通电后在安培力作用下转动，铝框随之转动，在铝框内产生涡流.涡流将阻碍线圈的转动，使线圈偏转后尽快停下来，这样做是利用涡流来起电磁阻尼的作用，故B、C正确.

考点二　电磁阻尼的理解

6.弹簧上端固定，下端挂一条形磁铁，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4所示，观察磁铁的振幅将会发现（　　）

图4

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

答案　A

解析　S断开时，磁铁振动穿过线圈的磁通量发生变化，但线圈中无感应电流，振幅不变；S闭合时有感应电流，有电能产生，磁铁的机械能越来越少，振幅逐渐减小，A正确.

7.如图5所示，使一个铜盘绕其竖直的轴OO′转动，且假设摩擦等阻力不计，转动是匀速的.现把一个蹄形磁铁移近铜盘，则（　　）

图5

A.铜盘的转动将变慢

B.铜盘的转动将变快

C.铜盘仍以原来的转速转动

D.铜盘的转动速度是否变化，要根据磁铁上下两端的极性来决定

答案　A

8.甲、乙两个完全相同的铜环均可绕竖直固定轴O1O2旋转，现让它们以相同角速度同时开始转动，由于阻力作用，经相同的时间后停止，若将圆环置于如图6所示的匀强磁场中，甲环的转轴与磁场方向垂直，乙环的转轴与磁场方向平行，现让甲、乙两环同时以相同的初始角速度开始转动后，下列判断正确的是（　　）

图6

A.甲环先停下

B.乙环先停下

C.两环同时停下

D.两环都不会停下

答案　A

解析　当铜环转动时，乙环一直与磁场方向平行，穿过乙环的磁通量为零，穿过甲环的磁通量不断变化，不断有感应电流产生，一定受到安培力，安培力阻碍圆环与磁场间的相对运动，故甲环先停止运动，A正确.

9.光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图7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总热量是（　　）

图7

A.mgbB.

mv2

C.mg（b－a）D.mg（b－a）＋

mv2

答案　D

解析　金属块在曲面上滑动的过程中，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

总热量Q＝E1－E2＝mg（b－a）＋

mv2.

10.（多选）如图8所示，闭合金属环从光滑曲面上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，曲面处在图中磁场中，则（　　）

图8

A.若是匀强磁场，环上升的高度小于h

B.若是匀强磁场，环上升的高度等于h

C.若是非匀强磁场，环上升的高度等于h

D.若是非匀强磁场，环上升的高度小于h

答案　BD

解析　若磁场为匀强磁场，穿过环的磁通量不变，不产生感应电流，即无机械能向电能转化，机械能守恒，故A错误，B正确；若磁场为非匀强磁场，环内要产生涡流，机械能减少，故C错误，D正确.

考点三　电磁驱动

11.如图9所示，闭合导线圆环和条形磁铁都可以绕水平的中心轴OO′自由转动，开始时磁铁和圆环都静止在竖直平面内，若条形磁铁突然绕OO′轴，N极向纸里，S极向纸外转动，在此过程中，圆环将（　　）

图9

A.产生逆时针方向的感应电流，圆环上端向里、下端向外随磁铁转动

B.产生顺时针方向的感应电流，圆环上端向外、下端向里转动

C.产生逆时针方向的感应电流，圆环并不转动

D.产生顺时针方向的感应电流，圆环并不转动

答案　A

解析　磁铁开始转动时，环中穿过环向里的磁通量增加，根据楞次定律，环中产生逆时针方向的感应电流.磁铁转动时，为阻碍磁通量的变化，圆环与磁铁同向转动，所以选项A正确.

12.如图10所示，在一蹄形磁铁下面放一个铜盘，铜盘和磁铁均可以绕OO′轴自由转动，两磁极靠近铜盘，但不接触.当磁铁绕轴转动时，铜盘将（　　）

图10

A.以相同的转速与磁铁同向转动

B.以较小的转速与磁铁同向转动

C.以相同的转速与磁铁反向转动

D.静止不动

答案　B

13.（多选）位于光滑水平面上的小车上放置一螺线管，一个比螺线管长的条形磁铁沿着螺线管的轴线以初速度v水平穿过，如图11所示，在此过程中（　　）

图11

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

答案　BC

解析　磁铁水平穿入螺线管时，管中将产生感应电流，由楞次定律知该电流产生的磁场阻碍磁铁的运动.同理，磁铁穿出时该电流产生的磁场也阻碍磁铁的运动，故整个过程中，磁铁做减速运动，B项对.而对于小车上的螺线管来说，在此过程中，螺线管受到的安培力都是水平向右，这个安培力使小车向右一直做加速运动，C项对.