选修3-2（高中物理旧教材同步讲义）第4章 7 涡流、电磁阻尼和电磁驱动同步讲义

7涡流、电磁阻尼和电磁驱动[学习目标]1.了解涡流、电磁阻尼和电磁驱动.2.理解涡流的产生原因，理解电磁阻尼和电磁驱动的原理.3.了解涡流、电磁阻尼、电磁驱动在生产和生活中的应用．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，就像水中的旋涡，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(eq\f(ΔB,Δt)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于导体转动，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．判断下列说法的正误．(1)涡流跟其他感应电流一样，都是因为穿过导体的磁通量变化而产生的．(√)(2)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．(×)(3)涡流有热效应，但没有磁效应．(×)(4)在硅钢中不能产生涡流．(×)(5)电磁阻尼和电磁驱动均遵循楞次定律．(√)(6)电磁阻尼发生的过程，存在机械能向内能的转化．(√)(7)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？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．图11．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2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2A．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．封口过程中若温度过高，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如图3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()图3A．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，玻璃杯答案C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4所示)，磁铁就会很快停下来，解释这个现象．图4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相对运动，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，就会存在电磁阻尼现象．例3(2017·全国卷Ⅰ)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5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5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6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．图6(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)线圈内产生的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．例4如图7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7A．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错误．电磁阻尼、电磁驱动都是楞次定律“阻碍”的体现．阻碍磁通量的变化，阻碍导体与磁场的相对运动．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)(2019·永年一中高二上月考)安检门是一个用于安全检查的“门”，“门框”内有线圈，线圈中通有变化的电流．如果金属物品通过安检门，金属中会被感应出涡流，涡流的磁场又反过来影响线圈中的电流，从而引起报警，关于安检门的说法正确的是()A．安检门能检查出毒贩携带的毒品B．安检门能检查出旅客携带的金属水果刀C．如果“门框”的线圈中通上恒定电流，安检门也能正常工作D．安检门工作时，主要利用了电流的热效应原理答案B解析安检门利用涡流探测人身上携带的金属物品的原理：线圈中的交变电流产生交变的磁场，会在金属物品中产生交变的感应电流，而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，引起线圈中交变电流发生变化，从而被探测到，则安检门不能检查出毒贩携带的毒品，选项A、C错误，B正确；安检门工作时，主要利用了电磁感应原理，选项D错误．3．(对电磁阻尼的理解)(多选)如图8所示是电表中的指针和电磁阻尼器，下列说法正确的是()图8A．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)如图9所示，矩形线圈放置在水平薄木板上，有两块相同的蹄形磁铁，四个磁极之间的距离相等，当两块磁铁以相同的速度匀速向右通过线圈时，线圈始终静止不动，那么线圈受到木板的摩擦力方向是()图9A．先向左、后向右 B．先向左、后向右、再向左C．一直向右 D．一直向左答案D解析根据楞次定律的“阻碍变化”和“来拒去留”，当两磁铁靠近线圈时，线圈要阻碍其靠近，线圈有向右移动的趋势，受木板的摩擦力向左，当磁铁远离时，线圈要阻碍其远离，仍有向右移动的趋势，受木板的摩擦力方向仍是向左的，故选项D正确．考点一涡流1．(多选)如图1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量，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()图1A．电流变化的频率越高，焊缝处的温度升高得越快B．电流变化的频率越低，焊缝处的温度升高得越快C．工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻小D．工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻大答案AD2．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2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2A．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.(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3A．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B、C正确．4．(2019·西安交大附中期中)某磁场磁感线如图4所示，有铜盘自图示A位置落至B位置，在下落过程中，自上向下看，铜盘中的涡流方向是()图4A．始终顺时针B．始终逆时针C．先顺时针再逆时针D．先逆时针再顺时针答案C解析把铜盘从题图中A位置落至B位置的全过程分成两个阶段处理，第一阶段是铜盘从A位置下落到具有最大磁通量的O位置，此过程中穿过铜盘的磁场方向向上且穿过铜盘的磁通量不断增大，由楞次定律判断感应电流方向(自上向下看)是顺时针的；第二阶段是铜盘从具有最大磁通量的O位置落到B位置，此过程中穿过铜盘的磁场方向向上且穿过铜盘的磁通量不断减小，由楞次定律判断感应电流方向(自上向下看)是逆时针的，选项C正确．考点二电磁阻尼5.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5所示，观察磁铁的振幅将会发现()图5A．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闭合时线圈中有感应电流，阻碍磁铁的相对运动，磁铁的机械能越来越少，振幅逐渐减小，A正确．6.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6A．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．7.如图7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7A．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A8．(多选)(2020·无锡市天一中学期中)图8甲为磁控健身车，图乙为其车轮处结构示意图，在金属飞轮的外侧有一些磁铁(与飞轮不接触)，人用力蹬车带动飞轮旋转时，磁铁会对飞轮产生阻碍作用，拉动旋钮拉线可以改变磁铁与飞轮间的距离．下列说法正确的有()图8A．飞轮受到的阻力主要来源于磁铁对它的安培力B．飞轮转速一定时，磁铁越靠近飞轮，飞轮受到的阻力越小C．磁铁和飞轮间的距离一定时，飞轮转速越大，受到的阻力越小D．磁铁和飞轮间的距离一定时，飞轮转速越大，内部的涡流越强答案AD解析根据题意，人用力蹬车带动飞轮旋转时，磁铁会对飞轮产生阻碍作用，飞轮受到的阻力主要来源于磁铁对它的安培力，选项A正确；飞轮转速一定时，磁铁越靠近飞轮，飞轮受到的安培力越大，即阻力越大，选项B错误；磁铁和飞轮间的距离一定时，飞轮转速越大，磁通量的变化率越大，则飞轮内部的涡流越强，产生的安培力越大，受到的阻力越大，选项C错误，D正确．考点三电磁驱动9.如图9所示，光滑水平绝缘面上有两个金属环静止在平面上，环1竖直，环2水平放置，均处于中间分割线上，在平面中间分割线正上方有一条形磁铁，当磁铁沿中间分割线向右运动时，下列说法正确的是()图9A．两环都向右运动B．两环都向左运动C．环1静止，环2向右运动D．两环都静止答案C解析条形磁铁向右运动时，环1中磁通量为零，不变，无感应电流，环1仍静止；环2中磁通量变化，根据楞次定律，为阻碍磁通量的变化，感应电流产生的效果是使环2向右运动，C正确．10.(2020·新余一中期中)如图10所示，闭合线框ABCD和abcd可分别绕轴线OO′转动．当线框abcd绕OO′轴逆时针转动时(俯视)，下列关于线框ABCD的转动情况的说法正确的是()图10A．线框ABCD也随abcd逆时针转动，只不过稍微慢了些B．线框ABCD也随abcd逆时针转动，只不过稍微快了些C．线框ABCD顺时针转动，只不过稍微慢了些D．线框ABCD顺时针转动，只不过稍微快了些答案A11.(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11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11A．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AB12．(多选)(2020·温州中学期中)如图12所示，通过水平绝缘传送带输送完全相同的铜线圈，线圈等距离排列，且与传送带以相同的速度匀速运动．为了检测出个别未闭合的不合格线圈，让传送带通过一固定匀强磁场区域，磁场方向垂直于传送带运动方向，根据穿过磁场后线圈间的距离，就能够检测出不合格线圈．通过观察图形，判断下列说法正确的是()图12A．若线圈闭合，进入磁场时，线圈中感应电流方向从上向下看为逆时针B．若线圈闭合，传送带以较大速度匀速转动时，磁场对线圈的作用力增大C．从图中可以看出，第2个线圈是不合格线圈D．从图中可以看出，第3个线圈是不合格线圈答案BD解析若线圈闭合，进入磁场时，穿过线圈的磁通量增大，由楞次定律可知，线圈中的感应电流的磁场方向向下，所以感应电流的方向从上向下看是顺时针，故A错误；根据法拉第电磁感应定律，传送带以较大速度匀速运动时，线圈中产生的感应电动势较大，则感应电流较大，磁场对线圈的作用力增大，故B正确；由题图知1、2、