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

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7　涡流、电磁阻尼和电磁驱动

知识内容

涡流、电磁阻尼和电磁驱动

考试要求

必考

加试

b

课时要求

1.了解涡流的产生原因，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.

一、涡流

[导学探究]　如图1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？

图1

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．

[知识梳理]

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．

3．应用：

真空冶炼炉、探雷器、安检门等．

4．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．

[即学即用]　判断下列说法的正误．

（1）涡流也是一种感应电流．（　　）

（2）导体中有涡流时，导体没有和其它元件组成闭合回路，故导体不会发热．（　　）

（3）利用涡流制成的探测器也可探测毒品．（　　）

（4）涡流是一种有害的电磁感应现象．（　　）

答案　

（1）√　

（2）×　（3）×　（4）×

二、电磁阻尼和电磁驱动

[导学探究]

1.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2所示），磁铁就会很快停下来，解释这个现象．

图2

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，还有线圈的磁场力作为阻力，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．

2．一个闭合线圈放在蹄形磁铁的两磁极之间，如图3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；磁铁逆时针转动时线圈也逆时针转动．

图3

（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．线圈的转速小于磁铁的转速．

[知识梳理]　

（1）电磁阻尼：

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，这种现象称为电磁阻尼．

（2）电磁驱动：

若磁场相对导体转动，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．

（3）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；电磁驱动中通过安培力做功，电能转化为导体的机械能而对外做功．

[即学即用]　判断下列说法的正误．

（1）电磁阻尼和电磁驱动均遵循楞次定律．（　　）

（2）电磁阻尼发生的过程，存在机械能向内能的转化．（　　）

（3）电磁驱动现象中有感应电流产生，电磁阻尼中没有感应电流产生．（　　）

（4）电磁驱动可以被利用，而电磁阻尼不能被利用．（　　）

答案　

（1）√　

（2）√　（3）×　（4）×

一、涡流的理解、利用和防止

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非匀强磁场中运动．

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．

例1

　（2015·衢州统考）（多选）高频焊接原理示意图如图4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，将焊缝融化焊接，要使焊接处产生的热量较大，可采用（　　）

图4

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

答案　ABC

解析　当增大交变电流的电压时，线圈中交变电流增大，那么磁通量变化率增大，因此产生感应电动势增大，感应电流也增大，那么焊接时产生的热量也增大，A正确；根据法拉第电磁感应定律分析可知，电流变化的频率越高，磁通量变化频率越高，产生的感应电动势越大，感应电流越大，焊缝处的温度升高的越快，B正确；增大电阻，在相同电流下，焊缝处热功率大，温度升的越高，故C正确，D错误．

例2

　（多选）如图5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5

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，B正确；若磁场为非匀强磁场，环内要产生电能，机械能减少，故D正确．

二、电磁阻尼

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

　在水平放置的光滑绝缘导轨上，沿导轨固定一个条形磁铁，如图6所示．现有铜、铝和有机玻璃制成的滑块甲、乙、丙，使它们分别从导轨上的A点以某一初速度向磁铁滑去．各滑块在向磁铁运动的过程中（　　）

图6

A．都做匀速运动B．甲、乙做加速运动

C．甲、乙做减速运动D．乙、丙做匀速运动

答案　C

解析　甲、乙向磁铁靠近时要产生涡流，受电磁阻尼作用，做减速运动，丙则不会产生涡流，只能匀速运动．

三、电磁驱动

例4

　如图7所示，在一蹄形磁铁下面放一个铜盘，铜盘和磁铁均可以自由绕OO′轴转动，两磁极靠近铜盘，但不接触，当磁铁绕轴转动时，铜盘将（　　）

图7

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

解析　因磁铁的转动，引起铜盘中磁通量发生变化而产生感应电流，进而受安培力作用而发生转动，由楞次定律可知安培力的作用是阻碍相对运动，所以铜盘与磁铁同向转动，又由产生电磁感应的条件可知，线圈中能产生感应电流的条件必须是磁通量发生变化，故要求铜盘转动方向与磁铁相同而转速较小，不能与磁铁同速转动，所以正确选项是B.

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

答案　D

解析　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．（2015·绍兴高二检测）电磁炉热效率高达90%，炉面无明火，无烟无废气，电磁“火力”强劲，安全可靠，如图8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8

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．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

D．在锅和电磁炉中间放一纸板，则电磁炉不能起到加热作用

答案　B

解析　电磁炉采用的是涡流感应加热原理，其内部通过电子线路板组成部分产生交变磁场，当把含铁质锅具底部放置在炉面时，锅具切割交变磁感线从而在锅具底部金属部分产生涡流，用来加热和烹饪食物，从而达到煮食的目的，A错误，B正确；电磁炉工作时需要在锅底产生感应电流，陶瓷锅或耐热玻璃锅不属于金属导体，不能产生感应电流，C错误；线圈产生的磁场能穿透纸板到达锅底，在锅底产生感应电流，利用电流的热效应起到加热作用，故D错误．

3．（多选）如图9所示，A、B为大小、形状均相同且内壁光滑、但用不同材料制成的圆管，竖直固定在相同高度．两个相同的磁性小球，同时从A、B管上端距管口等高处无初速度释放，穿过A管比穿过B管的小球先落到地面．下面对于两管的描述中可能正确的是（　　）

图9

A．A管是用塑料制成的，B管是用铜制成的

B．A管是用铝制成的，B管是用胶木制成的

C．A管是用胶木制成的，B管是用塑料制成的

D．A管是用胶木制成的，B管是用铝制成的

答案　AD

4．（多选）如图10所示是用涡流金属探测器探测地下金属物的示意图，下列说法中正确的是（　　）

图10

A．探测器内的探测线圈会产生交变磁场

B．只有有磁性的金属物才会被探测器探测到

C．探测到地下的金属物是因为探头中产生了涡流

D．探测到地下的金属物是因为金属物中产生了涡流

答案　AD

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．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1所示，观察磁铁的振幅将会发现（　　）

图1

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

3．（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，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，减小电流，减少产生的热量，C错误；涡流产生于铁芯中，对原电流无阻碍作用，D错误．故选A、B.

4．（多选）如图2所示，磁电式仪表的线圈通常用铝框做骨架，把线圈围绕在铝框上，这样做的目的是（　　）

图2

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，在安培力作用下发生转动，铝框随之转动，并切割磁感线产生感应电流，也就是涡流．涡流阻碍线圈的转动，使线圈偏转后尽快停下来．所以，这样做的目的是利用涡流来起电磁阻尼的作用．

5．（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．这个安检门也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．

6.高频感应炉是用来熔化金属对其进行冶炼的，如图3所示为冶炼金属的高频感应炉的示意图，炉内放入被冶炼的金属，线圈通入高频交变电流，这时被治炼的金属就能被熔化，这种冶炼方法速度快，温度易控制，并能避免有害杂质混入被冶炼的金属中，因此适用于冶炼特种金属．那么该炉的加热原理是（　　）

图3

A．利用线圈中电流产生的焦耳热

B．利用线圈中电流产生的磁场

C．利用交变电流的交变磁场在炉内金属中产生的涡流

D．给线圈通电的同时，给炉内金属也通了电

答案　C

7．如图4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4

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．如图5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5

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

答案　A

解析　双线绕成的线圈由于两导线产生的磁通量相互抵消，不会产生感应电流，所以磁铁将做自由落体运动．

9．（2016·台州市联考）（多选）涡流检测是工业上无损检测的方法之一，如图6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6

A．涡流的磁场总是要阻碍穿过工件的磁通量的变化

B．涡流的频率等于通入线圈的交流电频率

C．通电线圈和待测工件间存在周期性变化的作用力

D．待测工件可以是塑料或橡胶制品

答案　ABC

解析　根据楞次定律得知：

感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，故涡流的磁场总是要阻碍穿过工件的磁通量的变化，故A正确；感应电流的频率与原电流的频率是相同的，涡流的频率等于通入线圈的交流电频率，故B正确；因为线圈交流电是周期性变化的，故在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C正确；电磁感应只能发生在金属物体上，故待测工件只能是金属制品，故D错误．

10．（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7所示，在此过程中（　　）

图7

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运动，且一直做加速运动，C项对．

11．（多选）如图8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8

A．增加线圈的匝数

B．提高交流电源的频率

C．将金属杯换为瓷杯

D．取走线圈中的铁芯

答案　AB

12．一个半径为r、质量为m、电阻为R的金属圆环，用一根长为L的绝缘细绳悬挂于O点，离O点下方

处有一宽度为

、垂直纸面向里的匀强磁场区域，如图9所示．现使圆环从与悬点O等高位置A处由静止释放（细绳张直，忽略空气阻力），摆动过程中金属圆环所在平面始终垂直磁场，则在达到稳定摆动的整个过程中，金属圆环产生的热量是（　　）

图9

A．mgLB．mg（

＋r）C．mg（

L＋r）D．mg（L＋2r）

答案　C

解析　圆环在进入磁场和离开磁场时，磁通量发生变化，产生感应电流，机械能减少，最后圆环在磁场下面摆动，机械能守恒．在整个过程中减少的机械能转变为焦耳热，在达到稳定摆动的整个过程中，金属圆环减少的机械能为mg（

L＋r）．