（浙江专版）2018-2019学年高中物理 第四章 第7节 涡流、电磁阻尼和电磁驱动讲义（含解析）新人教版选修3-2.doc

涡流、电磁阻尼和电磁驱动涡流探新知基础练1涡流定义由于电磁感应，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。(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。辨是非(对的划“”，错的划“”)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无法探出“石雷”。()答案：1.2.3.释疑难对点练1涡流的产生涡流实际上是一种特殊的电磁感应现象。当导体处在变化的磁场中，或者导体在非匀强磁场中运动时，导体内部可以等效成许许多多的闭合电路。当穿过这些闭合电路的磁通量变化时，在导体内部的这些闭合电路中将产生感应电流，即导体内部产生了涡流。2涡流的特点当电流在金属块内自成闭合回路(产生涡流)时，由于整块金属的电阻很小，涡流往往很强，根据公式PI2R知，热功率的大小与电流的平方成正比，故金属块的发热功率很大。3涡流的防止电动机、变压器的线圈中有变化的电流，因而在铁芯中产生了涡流，不仅浪费了能量，还可能损坏电器，因此，要想办法减小涡流。为了达到减小涡流的目的，采用了电阻率大的硅钢做铁芯的材料，并把硅钢做成彼此绝缘的薄片，这样，就大大减小了涡流。4涡流的利用用来冶炼合金钢的真空冶炼炉，炉外有线圈，线圈中通入反复变化的电流，炉内的金属中就产生涡流。涡流产生的热量使金属达到很高的温度并熔化。利用涡流冶炼金属的优点是整个过程能在真空中进行，这样就能防止空气中的杂质进入金属，可以冶炼高质量的合金。试身手1下列应用与涡流无关的是()A高频感应冶炼炉B汽车的电磁式速度表C家用电度表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：选D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；汽车的电磁式速度表即磁电式电流表，指针摆动时，铝框骨架中产生涡流；家用电度表(转盘式)的转盘中有涡流产生；闭合线圈在磁场中转动产生感应电流，不同于涡流，应选D。电磁阻尼和电磁驱动探新知基础练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。辨是非(对的划“”，错的划“”)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中，存在机械能向内能的转化。()3电磁驱动时，被驱动的导体中有感应电流。()答案：1.2.3.释疑难对点练电磁阻尼与电磁驱动的比较电 磁 阻 尼电 磁 驱 动不同点成因由于导体在磁场中运动而产生感应电流，从而使导体受到安培力由于磁场运动引起磁通量的变化而产生感应电流，从而使导体受到安培力效果安培力的方向与导体运动方向相反，阻碍导体运动导体受安培力的方向与导体运动方向相同，推动导体运动能量转化导体克服安培力做功，其他形式的能转化为电能，最终转化为内能由于电磁感应，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，而对外做功相同点两者都是电磁感应现象，都遵循楞次定律，都是安培力阻碍引起感应电流的导体与磁场间的相对运动特别提醒电磁阻尼与电磁驱动现象中安培力的作用效果均为阻碍相对运动，应注意电磁驱动中，导体的运动速度要小于磁场的运动速度。试身手2.如图所示，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()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，其感应电流方向不再是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状态，线圈不切割磁感线，无感应电流产生，故A、B错。涡流的理解与应用典例1(多选)如图所示是高频焊接原理示意图。线圈中通以高频变化的电流时，待焊接的金属工件中就产生感应电流，感应电流通过焊缝产生大量热，将金属熔化，把工件焊接在一起，而工件其他部分发热很少，以下说法正确的是()A电流变化的频率越高，焊缝处的温度升高的越快B电流变化的频率越低，焊缝处的温度升高的越快C工件上只有焊缝处温度升的很高是因为焊缝处的电阻小D工件上只有焊缝处温度升的很高是因为焊缝处的电阻大解析交流电频率越高，则产生的感应电流越强，升温越快，故A项对；工件上各处电流相同，电阻大处产生的热量多，故D项对。答案AD典例2光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图所示，抛物线的方程为yx2，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ya的直线(如图中的虚线所示)。一个小金属块从抛物线上yb(ba)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()AmgbB.mv2Cmg(ba)Dmg(ba)mv2思路点拨求解此题应把握以下两点：(1)金属块进出磁场时，产生焦耳热，损失机械能。(2)金属块整体在磁场中运动时，金属块机械能不再损失，在磁场中往复运动。解析由初状态到末状态(金属块在磁场区域内往复运动)能量守恒。初状态机械能E1mgbmv2，末状态机械能E2mga，焦耳热QE1E2mg(ba)mv2，故D正确。答案D解决涡流问题要掌握以下几个方面的知识：1涡流的产生条件及能量转化情况。2涡流是整块导体发生的电磁感应现象，同样遵循法拉第电磁感应定律。3磁场变化越快，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。电磁阻尼与电磁驱动典例3如图所示，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()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思路点拨铝线圈在整个过程中都有与磁铁同步运动的趋势。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)，磁铁受到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。答案C电磁阻尼与电磁驱动的联系：电磁阻尼与电磁驱动现象中，安培力的作用效果均为阻碍相对运动。从能量转化的情况看，电磁驱动过程是电能转化为机械能，而电磁阻尼过程是其他形式的能转化为电能，最终转化为内能。课堂对点巩固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)磁电式仪表的线圈通常用铝框当骨架，把线圈绕在铝框上，这样做的目的是为了()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起电磁驱动的作用解析：选BC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，形成涡流，涡流阻碍线圈的转动，使线圈偏转后较快停下来。所以，这样做的目的是利用涡流起电磁阻尼的作用。故B、C正确。3(2016浙江象山中学检测)将一个闭合金属环用绝缘丝线悬于O点，如图所示，虚线左边有垂直于纸面向外的匀强磁场，而右边没有磁场，不计空气阻力，将金属环拉至图示位置释放后()A金属环的摆动不会停下来，一直做等幅摆动B金属环的摆动幅度越来越小，小到某一数值后做等幅摆动C金属环的摆动最终会停下来D金属环摆动过程中机械能守恒解析：选C当金属环进入或离开磁场区域时磁通量发生变化，会产生感应电流，从而阻碍线圈运动，即有机械能通过安培力做负功转化为内能，则金属环的机械能不守恒，所以金属环最终静止，故A、B、D错误，C正确。4.如图所示，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()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，因而线圈跟着磁铁转起来，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。故C正确。课堂小结课时跟踪检测(八)一、单项选择题1下列现象属于电磁阻尼的是()磁电式仪表线圈的骨架用铝框来做微安表的表头在运输时要把两接线柱短接自制金属地雷探测器交流感应电动机ABC D解析：选A铝是导体，仪表指针偏转时铝框随之转动，并切割磁感线产生电流，感应电流又会受到安培力，阻碍线圈的转动，属于电磁阻尼；接线柱短接后由于电磁效应，动圈阻尼变得极大，运输时线圈不再容易摆动，可防止指针打坏，属于电磁阻尼；金属地雷探测器由高频振荡器、振荡检测器等组成，不属于电磁阻尼；交流感应电动机，线框由于电流受安培力转动，属于电磁驱动。综上，A项正确。2.(2017浙江金华检测)如图所示，在一个绕有线圈的可拆变压器铁芯上分别放一小铁锅水和一玻璃杯水。给线圈通入电流，一段时间后，一个容器中水温升高，则通入的电流与水温升高的是()A恒定直流、小铁锅 B恒定直流、玻璃杯C变化的电流、小铁锅 D变化的电流、玻璃杯解析：选C通入恒定直流时，所产生的磁场不变，不会产生感应电流，通入变化的电流，所产生的磁场发生变化，在空间产生感生电场，铁锅是导体，感生电场在导体内产生涡流，电能转化为内能，使水温升高；涡流是由变化的磁场在导体内产生的，所以玻璃杯中的水不会升温。C正确。3.如图所示，一个铜质圆环，无初速度地自位置下落到位置，若圆环下落时其轴线与磁铁悬线重合，圆环面始终水平。位置与位置的高度差为h，则运动时间()A等于 B大于C小于 D无法判定解析：选B由于圆环下落过程中出现电磁阻尼，阻碍其下落，所以下落时间大于。B正确。4.如图所示，金属球(铜球)下端有通电的线圈，今把小球拉离平衡位置后释放，此后关于小球的运动情况是(不计空气阻力)()A做等幅振动B做阻尼振动C振幅不断增大D无法判定解析：选B金属球在通电线圈产生的磁场中运动，金属球中产生涡流，故金属球要受到安培力作用，阻碍它与线圈磁场的相对运动，做阻尼振动。故B正确。5.如图所示，一闭合金属圆环用绝缘细线挂于O点，将圆环拉至某一位置并释放，圆环摆动过程中(环平面与磁场始终保持垂直)经过有界的水平匀强磁场区域，A、B为该磁场的竖直边界，若不计空气阻力，则()A圆环向右穿过磁场后，还能摆至原来的高度B在进入和离开磁场时，圆环中均有感应电流C圆环进入磁场后，离最低点越近速度越大，感应电流也越大D圆环最终将静止在最低点解析：选B在圆环进入和穿出磁场的过程中，圆环中磁通量发生变化，有感应电流产生，即圆环的机械能向电能转化，其机械能越来越小，上升的高度越来越低，选项A错误，B正确；圆环完全进入磁场后，不再产生感应电流，选项C错误；最终圆环将不能摆出磁场，从此无机械能向电能的转化，其摆动的幅度不再变化，选项D错误。6.如图所示，上下开口、内壁光滑的铜管P和塑料管Q竖直放置。小磁块先后在两管中从相同高度处由静止释放，并落至底部。不计空气阻力，则小磁块()A在P和Q中都做自由落体运动B在两个下落过程中的机械能都守恒C在P中的下落时间比在Q中的长D落至底部时在P中的速度比在Q中的大解析：选C小磁块在内壁光滑的塑料管Q中，由静止释放做自由落体运动，机械能守恒；小磁块在内壁光滑的铜管P中下落时，则会产生电磁阻尼阻碍小磁块的运动，比在Q中下落时间长，C项正确，A项错误；在P中下落时由于电磁阻尼产生焦耳热，机械能不守恒，B项错误；由于在P中下落时机械能有损失，落至底部时的速度比在Q中的小，D项错误。二、多项选择题7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解析：选BD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，它不能使金属物品产生涡流，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。8.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以初速度v水平穿过，如图所示，在此过程中()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：选BC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，磁铁穿出时产生的相互作用力也阻碍磁铁的运动，故整个过程中，磁铁做减速运动，B正确；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正确。9下列说法正确的是()A录音机在磁带上录制声音时，利用了电磁感应原理B自感现象和互感现象说明磁场具有能量C金属中的涡流会产生热量，生活中的电磁炉是利用这一原理而工作的D交流感应电动机是利用电磁驱动原理工作的解析：选BCD录音机在磁带上录制声音时，是利用了电流的磁效应，使磁带上的磁粉被磁化，A项错误。自感现象说明磁场能够储存能量，互感现象说明磁场能够携带能量，B项正确。电磁炉利用涡流工作，交流感应电动机利用电磁驱动原理工作，C、D项正确。10.如图所示，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()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取走线圈中的铁芯解析：选AB交变电流在铁芯中产生交变磁场，金属杯会产生感应电流而发热，从而使杯内水沸腾。增加线圈的匝数和提高交流电源的频率都可以增大金属杯产生的电流，可缩短加热时间，选项A、B正确；将金属杯换成瓷杯，变化磁场不能使它产生电流，也就不能使水加热，选项C错误；取走线圈中的铁芯，会减小其中的磁场，金属杯产生的电流会减小，从而增加加热的时间，选项D错误。