配套K12学习浙江省版高中物理 第四章 电磁感应 第7课时 涡流电磁阻尼.docx

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配套K12学习浙江省版高中物理第四章电磁感应第7课时涡流电磁阻尼

第7课时　涡流、电磁阻尼和电磁驱动

[研究选考·把握考情]

知识内容

涡流、电磁阻尼和电磁驱动

考试要求

加试b

教学要求

1.了解涡流产生的原因，知道涡流的本质是感应电流

2.了解电磁阻尼和电磁驱动现象

3.了解涡流的应用和减小涡流危害的方法

说明

不要求解释电磁驱动和电磁阻尼现象

知识点一　涡流

[基础梳理]

1.定义：

用整块金属材料作铁芯绕制的线圈，当线圈中通有变化的电流时，变化的电流会产生变化的磁场，变化的磁场穿过铁芯，整个铁芯会自成回路，产生感应电流，这种电流看起来像水中的旋涡，把这种电流叫做涡电流，简称涡流。

2.应用

（1）涡流热效应的应用，如真空冶炼炉。

（2）涡流磁效应的应用，如探雷器。

3.防止：

电动机、变压器等设备中应防止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：

用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯代表整块硅钢铁芯。

[要点精讲]

1.对涡流的理解：

（1）本质：

电磁感应现象。

（2）条件：

穿过金属块的磁通量发生变化，并且金属块本身构成闭合回路。

（3）特点：

整个导体回路的电阻一般很小，感应电流很大。

故金属块的发热功率很大。

2.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非匀强磁场中运动。

3.产生涡流时的能量转化：

伴随着涡流现象，其他形式的能转化成电能最终在金属块中转化为内能。

例如，金属块放在了变化的磁场中，则磁场能转化为电能，最终转化为内能；如果是金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动，则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。

【例1】光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图1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1

A.mgbB.

mv2

C.mg（b－a）D.mg（b－a）＋

mv2

解析　金属块进出磁场的过程有涡流产生，机械能转化为电能，电能转化为内能，最终金属块只能在磁场内运动。

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。

选取x轴所在水平面为零重力势能参考面。

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

答案　D

名师点睛　部分同学在处理此题时误认为金属最终停在O点，原因是没有认识到金属块只在进出磁场时产生焦耳热，当金属块整体在磁场中运动时，不产生涡流，所以不损失机械能。

【跟踪训练】如图所示，A、B两图是把带绝缘层的线圈绕在软铁上，C、D两图是把带绝缘层的线圈绕在有机玻璃上，则能产生涡流的是（　　）

解析　只有穿过整个导体的磁通量发生变化，才产生涡流，B是直流电源不能产生涡流，C、D不是导体，故只有A能产生涡流。

答案　A

知识点二　电磁阻尼和电磁驱动

[基础梳理]

1.电磁阻尼

（1）定义：

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的运动。

（2）应用：

磁电式仪表中利用电磁阻尼使指针迅速停止，便于读数。

2.电磁驱动

（1）定义：

磁场相对于导体转动时，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，使导体运动起来。

（2）应用：

交流感应电动机。

[要点精讲]

要点1　电磁阻尼的产生原理和应用

（1）产生：

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。

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。

（2）应用举例：

使用磁电式电表进行测量时，总希望指针摆到所示值的位置时便迅速地稳定下来，以便读数。

由于指针转轴的摩擦力矩很小，若不采取其他措施，线圈及指针将会在所示值附近来回摆动，不易稳定下来。

为此，许多电表把线圈绕在闭合的铝框上，当线圈摆动时，在闭合的铝框中将产生感应电流，从而获得电磁阻尼，以使线圈迅速稳定在所示值的位置。

电气列车中的电磁制动器也是根据电磁阻尼这一原理制成的。

【例2】如图2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2

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　磁铁向下摆动时，根据楞次定律，线圈中产生逆时针方向的感应电流（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的感应电流（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，所以磁场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。

答案　C

名师点睛　电磁感应现象中感应电流所受的安培力总是阻碍导体和磁场间的相对运动。

要点2　对电磁驱动原理的分析

当蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量就发生变化。

例如，线圈处于图3所示的初始位置时，穿过线圈的磁通量为0，蹄形磁铁一转动，穿过线圈的磁通量就增加了。

根据楞次定律，此时线圈中就有感应电流产生，以阻碍磁通量的增加，因而线圈会跟着一起转动起来。

线圈转动的方向与磁铁转动的方向相同，但转速小于磁铁的转速，即同向异步。

图3

【例3】甲、乙两个完全相同的铜环可绕固定轴OO′旋转，当给以相同的初始角速度开始转动后，由于阻力，经相同的时间后便停止；若将环置于磁感应强度为B且大小相同的匀强磁场中，甲环的转轴与磁场方向平行，乙环的转轴与磁场方向垂直，如图4所示，当甲、乙两环同时以相同的角速度开始转动后，则下列判断正确的是（　　）

图4

A.甲环先停

B.乙环先停

C.两环同时停下

D.无法判断两环停止的先后顺序

解析　乙环产生感应电流，机械能不断转化为内能，而甲环不产生感应电流，故乙环先停下来，选项B正确。

答案B　

1.如图5所示，在光滑水平面上固定一条形磁铁，有一小球以一定的初速度向磁铁方向运动，如果发现小球做减速运动，则小球的材料可能是（　　）

图5

A.铁B.木

C.铜D.铝

解析　小球做减速运动说明小球受到安培力的阻碍作用，即小球内产生了涡流，显然B不满足条件。

若小球材料是铁则会被磁化，应做加速运动，所以A错误，C、D正确。

答案　CD

2.关于电磁驱动，下列说法正确的是（　　）

A.磁场相对于导体转动时，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，这种作用称为电磁驱动

B.在电磁驱动的过程中，通过安培力做功使电能转化为导体的机械能

C.在电磁驱动中，主动部分与被动部分的运动（或转动）方向相反

D.电磁驱动是由于磁场运动引起磁通量变化而产生感应电流，从而使导体受到安培力的作用而运动

解析　根据电磁驱动的定义可知，选项A、B、D正确；在电磁驱动中，主动部分与被动部分的运动（或转动）方向相同，且被动部分的速度（或角速度）较小，选项C错误。

答案　ABD

3.关于电磁阻尼，下列说法正确的是（　　）

A.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称为电磁阻尼

B.磁电式仪表正是利用电磁阻尼的原理使指针迅速停下来，从而便于读数

C.电磁阻尼是导体因感应电流受到的安培力对导体做负功，阻碍导体运动

D.电磁阻尼现象实质上不是电磁感应现象，但分析时同样遵循楞次定律

解析　根据电磁阻尼的定义知，选项A、B、C正确；电磁阻尼现象实质上是电磁感应现象，分析时不仅遵循楞次定律，同样也遵循法拉第电磁感应定律，选项D错误。

答案　ABC

4.如图6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6

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.线圈转动时将产生变化的电流

D.线圈转动时感应电流的方向始终是abcda

解析　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，线圈中产生变化的电流，故选项C正确，D错误；由楞次定律的推广含义可知，线圈将与磁铁同向转动，但转动的角速度一定小于磁铁转动的角速度。

如果两者的角速度相同，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，故选项A错误，B正确。

答案BC　

选择题（在每小题给出的四个备选项中至少有一个是符合题目要求的。

）

1.（2015·南京高二检测）下列应用与涡流有关的是（　　）

A.高频感应冶炼炉

B.探雷器和安检门

C.收音机里的“磁性天线”

D.闭合线圈在匀强磁场中转动，切割磁感线产生的电流

解析　高频感应冶炼炉，炉外线圈通入交变电流，炉内的金属中产生涡流，A项正确；探雷器和安检门都是利用涡流工作的，B项正确；收音机里的“磁性天线”利用的是互感现象，C项错误；闭合线圈在匀强磁场中转动产生感应电流，不同于涡流，D项错误。

答案　AB

2.关于涡流的应用与危害，下列说法正确的是（　　）

A.利用涡流的热效应制成了真空冶炼炉

B.利用涡流的磁效应制成了地雷探测器和机场的安检门

C.在各种电机中，涡流是非常有害的，它会使铁芯的温度升高，从而危害到线圈绝缘材料的寿命，严重时会使绝缘材料报废，又涡流是因发生电磁感应现象而产生的感应电流，因此不会消耗额外的能量，不会降低电机的效率

D.由于涡流具有热效应，会使铁芯的温度快速升高，因此电机里的铁芯不是由整块的钢铁制成，而是用薄薄的硅钢片叠合而成的，其主要目的是增大散热的速度

解析　涡流的实质是由于发生电磁感应现象而产生的感应电流，其具有热效应和磁效应，人们利用其热效应制造了真空冶炼炉，进而提高冶炼的温度，利用其磁效应，制造了地雷探测器和机场的安检门，选项A、B正确；在各种电机中，涡流是非常有害的，它会使铁芯的温度升高，从而危害到线圈绝缘材料的寿命，严重时会使绝缘材料报废，且由于涡流是因发生电磁感应现象而产生的感应电流，需要消耗额外的能量，从而降低电机的效率，为此，电机里的铁芯不是由整块的钢铁制成，而是用薄薄的硅钢片叠合而成的，其主要目的是一方面硅钢片的电阻率比一般钢铁的要大，从而减少损耗；另一方面每层硅钢片之间都是绝缘的，阻断了涡流的通路，进一步减少了涡流的发热，选项C、D错误。

答案　AB

3.如图1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1

A.铜盘转动将变慢

B.铜盘转动将变快

C.铜盘仍以原来的转速转动

D.铜盘转动速度是否变化，要根据磁铁的上、下两端的极性来决定

解析　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所受的安培力阻碍其相对运动，所以铜盘转动将变慢。

本题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。

选项A正确。

答案　A

4.如图2所示，闭合导线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极向纸内，S极向纸外转动，在此过程中，圆环将（　　）

图2

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

解析　磁铁转动时，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，导线环与磁铁同向转动。

所以选项A正确。

答案　A

5.如图3所示，一条形磁铁从静止开始向下穿过一个用双线绕成的闭合线圈，条形磁铁在穿过线圈的过程中（　　）

图3

A.做自由落体运动

B.做减速运动

C.做匀速运动

D.做非匀变速运动

解析　双线绕成的线圈由于两导线产生的磁通量相互抵消，合磁通量始终为零，所以磁铁将做自由落体运动。

答案　A

6.如图4所示，闭合金属小球从曲面上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，小球滚上的高度小于h

B.若是匀强磁场，小球滚上的高度等于h

C.若是非匀强磁场，小球滚上的高度等于h

D.若是非匀强磁场，小球滚上的高度小于h

解析　若是匀强磁场，金属小球中无涡流产生，无机械能损失，若是非匀强磁场，金属小球中有涡流产生，机械能损失转化为内能。

答案　BD

7.（2016·宁波高二）如图5所示，条形磁铁从高h处自由下落，中途穿过一个固定的空心线圈。

开关S断开，条形磁铁至落地用时t1，落地时速度为v1；S闭合，条形磁铁至落地用时t2，落地时速度为v2，则它们的大小关系正确的是（　　）

图5

A.t1>t2，v1>v2B.t1＝t2，v1＝v2

C.t1v2

解析　开关S断开时，线圈中无感应电流，对条形磁铁无阻碍作用，条形磁铁自由下落，故a＝g；当S闭合时，线圈中有感应电流，对条形磁铁有阻碍作用，故a

所以t1v2，选项D正确。

答案　D

8.（2016·华师附中）机场的安检门可以利用涡流探测人身上携带的金属物品。

安检门中接有线圈，线圈中通以交变电流，关于其工作原理，下列说法正确的是（　　）

A.人身上携带的金属物品会被地磁场磁化，在线圈中产生感应电流

B.人体在通有交变电流的线圈产生的磁场中运动，产生感应电动势并在金属物品中产生感应电流

C.线圈产生的交变磁场会在金属物品中产生交变的感应电流

D.金属物品中感应电流产生的交变磁场会在线圈中产生感应电流

解析　一般金属物品不一定能被磁化，且地磁场很弱，即使金属物品被磁化磁性也很弱，作为导体的人体电阻很大，且一般不会与金属物品构成回路，选项A、B错误；安检门利用涡流探测金属物品的工作原理是线圈中的交变电流产生交变磁场，使金属物品中产生涡流，选项C正确；该涡流产生的磁场又会在线圈中产生感应电流，而线圈中交变电流的变化可以被检测，选项D正确。

答案　CD

9.位于光滑水平面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水平穿过，如图6所示，在此过程中（　　）

图6

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

解析　磁铁水平穿入螺线管时，管中将产生感应电流，由楞次定律的扩展含义知产生的相互作用力阻碍磁铁的运动。

同理，磁铁穿出时，由楞次定律的扩展含义知产生的相互作用力阻碍磁铁的运动，故整个过程中，磁铁做减速运动；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的，这个安培力使小车向右运动，且一直做加速运动，选项C正确。

答案　BC

10.如图7所示，在线圈上端放置一盛有冷水的金属杯，现接通交流电源，过了几分钟，杯内的水沸腾起来。

若要缩短上述加热时间，下列措施可行的有（　　）

图7

A.增加线圈的匝数

B.提高交流电源的频率

C.将金属杯换成瓷杯

D.取走线圈中的铁芯

解析　根据题意要缩短加热时间，只需要提高感应电动势，所以增加线圈的匝数、提高交流电源的频率都可以实现，A、B项正确；取出线圈中的铁芯，对应的感应电动势变小，故D项错误；将金属杯换为瓷杯，加热作用消失，故C项错误。

答案　AB