2024-2025版高中物理第四章电磁感应7涡流电磁阻尼和电磁驱动学案新人教版选修3-2

PAGE15-涡流、电磁阻尼和电磁驱动目标导航思维脉图1.知道涡流是怎样产生的。(物理观念)2.了解涡流现象的利用和危害。 (科学思维)3.了解电磁驱动和电磁阻尼的原理及其应用。(科学探究)必备学问·自主学习一、涡流真空冶炼炉的工作原理是什么?金属探测器为什么能探测金属物?提示:真空冶炼炉的外面有线圈,线圈中通入反复变更的电流,炉内的金属中产生涡流,涡流产生的热量使金属熔化;金属探测器是利用涡流工作的,手持一个长柄线圈在地面扫过,线圈中有变更着的电流,假如地下埋着金属物品,金属中会感应出涡流,涡流的磁场反过来影响线圈中的电流,使仪器报警。1.产生:在变更的磁场中的导体内产生的感应电流,就像水中的漩涡。所以把它叫作涡电流,简称涡流。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)涡流热效应的应用:如真空冶炼炉。(2)涡流磁效应的应用:如探雷器、安检门。4.防止:电动机、变压器等设备中为防止铁芯中涡流过大而导致奢侈能量,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块硅钢铁芯。二、电磁阻尼和电磁驱动1.电磁阻尼:(1)产生: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的现象。(2)应用:电学仪表中利用电磁阻尼使指针很快地停下来,便于读数。2.电磁驱动:(1)产生:假如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。(2)应用:沟通感应电动机。(1)涡流跟平常常见的感应电流一样,都是因为穿过导体的磁通量变更而产生的。 (√)(2)涡流有热效应,但没有磁效应。 (×)(3)在硅钢中不能产生涡流。 (×)(4)电磁阻尼、电磁驱动都是电磁感应现象,都遵循楞次定律和法拉第电磁感应定律。 (√)(5)电磁阻尼是由电磁感应中安培力阻碍导体与磁场的相对运动产生的,而电磁驱动是由于电磁感应现象中安培力增加磁场与导体间的相对运动产生的。 (×)关键实力·合作学习学问点一涡流1.涡流的本质:电磁感应现象。2.产生涡流的两种状况:(1)块状金属放在变更的磁场中。(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。(1)金属块放在变更的磁场中,磁场能转化为电能,最终转化为内能。(2)假如是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。线圈中的电流变更时,导体中为什么会产生感应电流? (物理观念)提示:电磁感应。【典例】电磁炉又名电磁灶,是现代厨房革命的产物,它无需明火或传导式加热而让热干脆在锅底产生,因此热效率得到了极大的提高。是一种高效节能厨具,完全区分于传统全部的有火或无火传导加热厨具。如图所示是描述电磁炉工作原理的示意图,下列说法正确的是 ()A.电磁炉通电线圈加直流电,电流越大,电磁炉加热效果越好B.电磁炉的原理是通电线圈加沟通电后,在锅底产生涡流,进而发热工作C.在锅和电磁炉中间放一绝缘物质,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,主要缘由是这些材料的导热性能较差【解题探究】(1)电磁炉是怎么工作的?提示:电磁炉的台面下布满了金属导线缠绕的线圈,采纳磁场感应涡流加热原理工作。当通上交替变更极快的电流时,在台板与铁锅底之间产生强大的交变的磁场,磁感线穿过锅体,使锅底产生强涡流,当磁场内的磁感线通过铁质锅底时会产生多数的涡流,使锅体本身自行快速发热,就放出大量的热量,然后再作用于锅内食物,将饭菜煮熟。(2)为什么电磁炉的锅不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅?提示:陶瓷和玻璃是绝缘体,不能产生感应电流,不能加热锅内食物。【解析】选B。电磁炉通电线圈加直流电,会产生恒定磁场,穿过锅底的磁通量不会发生变更,不能产生涡流,所以没有加热效果,故A错误;电磁炉的原理是磁场感应涡流加热,即利用交变电流通过线圈产生交变磁场,所以电磁炉通过线圈加沟通电后,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绝缘物质,不会影响涡流的产生,因此不会影响电磁炉的加热作用,故C错误;金属锅自身产生多数小涡流而干脆加热锅,陶瓷锅或耐热玻璃锅属于绝缘材料,不会产生涡流,不是因为导热性能较差,故D错误。故选B。1.如图所示为大型考试用到的金属探测器,工作时其内部的探测器线圈内通有正弦沟通电,关于探测器的工作原理,下列说法不正确的是 ()A.探测器线圈中通有频率越低的沟通电,越简洁探测出金属物品B.探测器线圈中正弦沟通电会产生变更的磁场C.探测器旁边有金属时,金属中会产生涡流D.探测器旁边有金属时,探测器线圈中电流会发生变更【解析】选A。探测器线圈中的沟通电频率越低,电流变更越慢,依据法拉第电磁感应定律可知产生的感应电流越小,灵敏度越低,越不简洁探测出金属物品,故A符合题意;依据法拉第电磁感应定律可知当探测器线圈中通以正弦沟通电会产生变更的磁场,故B不符合题意;探测器中有一个通有交变电流的线圈,当线圈四周有金属时,金属中会产生涡流,涡流的磁场反过来影响线圈中的电流,探测器线圈中电流会发生变更,使探测器报警,故C、D不符合题意。本题选不正确的,故选A。2.电磁炉具有无烟、无明火、无污染、不产生有害气体、无微波辐射、高效节能等优势。电磁炉是利用电流通过线圈产生磁场,当磁场的磁感线通过含铁质锅底部时,即会产生多数小涡流,使锅体本身自行高速发热,然后再加热锅内食物。下列相关说法中正确的是 ()A.锅体可以用不导电的陶瓷制成B.锅体中的涡流是由恒定的磁场产生的C.恒定磁场越强,电磁炉的加热效果越好D.提高磁场变更的频率,可提高电磁炉的加热效果【解析】选D。假如锅体是不导电的陶瓷制成,则在锅体不能产生涡流即不能加热,故A错误;锅体中的涡流是由变更的磁场产生的,故B、C错误;提高磁场变更的频率,可提高电磁炉的加热效果,故D正确。故选D。【加固训练】1.(多选)变压器的铁芯是利用薄硅钢片叠压而成,而不是采纳一整块硅钢,这是为了 ()A.增大涡流,提高变压器的效率B.减小涡流,提高变压器的效率C.增大涡流,减小铁芯的发热量D.减小涡流,减小铁芯的发热量【解析】选B、D。涡流的主要效应之一就是发热,而变压器的铁芯发热,是我们不希望出现的,所以不采纳整块硅钢,而采纳薄硅钢片叠压在一起,目的是减小涡流,减小铁芯的发热量,进而提高变压器的效率,故选项B、D正确。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.磁电式电表的线圈经常用铝框做骨架,把线圈绕在铝框上C.变压器的铁芯不做成整块,而是用很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【解析】选C、D。电磁炉是采纳电磁感应原理,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,故A不符合题意;磁电式电表的线圈经常用铝框做骨架,起到电磁阻尼作用,是为了利用电磁感应,故B不符合题意;变压器的铁芯不做成整块,而是用很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,故C正确;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D正确;故选C、D。学问点二电磁阻尼和电磁驱动的比较电磁阻尼电磁驱动不同点成因由导体在磁场中运动形成的由磁场运动而形成的效果安培力方向与导体运动方向相反,为阻力安培力方向与导体运动方向相同,为动力能量转化克服安培力做功,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共同点两者都是电磁感应现象,导体受到的安培力都是阻碍导体与磁场间的相对运动提示:(1)电磁阻尼、电磁驱动都是电磁感应现象,都遵循楞次定律。(2)电磁阻尼、电磁驱动现象中安培力的作用效果都是阻碍相对运动,应留意电磁驱动中阻碍的结果。若磁铁运动,线圈中的感应电流的结果是安培力的方向与磁铁运动方向相同,即电磁驱动;若磁场不动,线圈运动,则感应电流的结果是阻碍线圈运动,即电磁阻尼。灵敏电流表运输中,为什么常用导体把两个接线柱连在一起? (科学思维)提示:连接接线柱后,晃动表,由于电磁阻尼,表针晃动幅度会变小,并能较快停下,起到爱护表针的作用。【典例】(多选)安检门是一个用于平安检查的“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.B.C.假如这个“门框”的线圈中通上恒定电流,也能检查出金属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【审题关键】序号信息提取①毒品不是金属物品,检测不出来②携带金属物品可以检测出来③“门框”的线圈通上变更的电流才可检测出金属物品【解析】选B、D。安检门利用涡流探测人身上携带的金属物品原理是:线圈中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更,从而被探测到,但不能检测到毒品,故A错误,B正确;假如这个“门框”的线圈中通上恒定电流,只能产生恒定的磁场,则不能使金属产生感应电流,因而不能检查出金属物品携带者,故C错误;依据A的分析可知,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,故D正确。故选B、D。【总结提升】安检门中接有线圈,线圈中通以交变电流,在空间产生交变的磁场,金属物品会产生感应电流;反过来,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,从而被探测到;恒定电流,只能产生恒定的磁场,则不能使块状金属产生感应电流。1.如图所示,在一蹄形磁铁两极之间放一个矩形线框abcd,磁铁和线框都可以绕竖直轴OO′自由转动。若使蹄形磁铁以某角速度转动时,线框的状况将是 ()A.静止B.随磁铁同方向转动C.沿与磁铁相反方向转动D.要由磁铁详细转动方始终确定【解析】选B。当磁铁转动时,线框中的磁通量减小,依据楞次定律可得,感应电流的磁场要“阻碍”这种变更,则线框随磁铁同方向转动,B正确。故选B。2.(多选)如图所示,四根长度、内径均相同的空心圆管竖直放置,把一枚磁性很强的直径略小于管的内径的小圆柱形永磁体,分别从四根圆管上端静止释放,空气阻力不计。下列说法正确的是 ()A.永磁体在四根圆管中下落时间相同B.永磁体在甲管中下落时间最长C.永磁体在乙、丙、丁三管中下落时间相同D.永磁体在丙管中下落时间最短【解析】选B、C。当永磁体下落时,对甲铜管而言相当于若干导线切割磁感线,产生感应电流,由于磁场与电流的相互作用,使得永磁体下落“变慢”(阻碍磁通量变更),对乙铜管,由于有缝,相当于导线不闭合,只能产生感应电动势,而无感应电流产生,因此永磁体仍旧做自由落体运动,对丙、丁塑料管而言不是导体,既无感应电动势,又无感应电流产生,因此永磁体同样做自由落体运动,故A、D错误,B、C正确。【加固训练】空间有竖直边界为AB、CD且垂直纸面对里的有界匀强磁场区域。一闭合金属圆环用绝缘细线挂于O点,将圆环拉至如图所示位置静止释放,圆环在摇摆过程中环面始终与磁场垂直,若不计空气阻力,则下列说法中正确的是 ()A.圆环完全进入磁场后离最低点越近,感应电流越大B.圆环在进入和穿出磁场时,圆环中均有感应电流C.圆环向左穿过磁场后再返回,还能摆到原来的释放位置D.圆环最终将静止在最低点【解析】选B。整个圆环进入磁场后,磁通量不发生变更,不产生感应电流,故A错误;只有当圆环进入或离开磁场区域时磁通量发生变更,会产生电流,故B正确;当圆环向左穿过磁场区域时磁通量发生变更,会产生电流,机械能向电能转化,所以机械能不守恒,当再返回,不能摆到原来的释放位置,故C错误;在圆环不断经过磁场,机械能不断损耗过程中圆环越摆越低,最终整个圆环只会在磁场区域来回摇摆,因为在此区域内没有磁通量的变更(始终是最大值),所以机械能守恒,即圆环最终的运动状态为在磁场区域来回摇摆,而不是静止在平衡位置,故D错误。3.某爱好小组制作了一个简易的“转动装置”,如图甲所示,在干电池的负极吸上两块圆柱形强磁铁,然后将一金属导线折成顶端有一支点、底端开口的导线框,并使导线框的支点与电源正极、底端与磁铁均良好接触但不固定,图乙是该装置的示意图。若线框逆时针转动(俯视),下列说法正确的是 ()A.线框转动是因为发生了电磁感应B.磁铁导电且与电池负极接触的一端是S极C.若将磁铁的两极对调,则线框转动方向不变D.线框转动稳定时的电流比起先转动时的大【解析】选B。对线框的下端平台侧面分析,若扁圆柱形磁铁上端为S极,下端为N极,四周磁感线由上往下斜穿入线框内部,在垂直于纸面对外的径向上,磁感线有垂直于纸面对里的重量,在此径向上的负电荷由下往上运动,由左手定则知:此负电荷受到垂直于径向沿纸面对右的洛伦兹力,即在径向的左垂线方向;同理,其他任一径向上的电荷均受到左垂线方向的洛伦兹力(中心原点除外),所以,由上往下看(俯视),线框沿逆时针转动,若扁圆柱形磁铁上端为N极,下端为S极,则转动方向相反,所以该装置的原理是电流在磁场中的受力,不是电磁感应,故A、C错误,B正确;稳定时,因导线切割磁感线,则线框中电流比刚起先转动时的小,故D错误。【拓展例题】考查内容:涡流现象在日常生活中的应用【典例】如图为电磁灶,是采纳磁场感应涡流原理,它利用高频的沟通电通过环形线圈,从而产生多数封闭磁感线,当磁感线通过导磁(如:铁质锅)的底部,而底部可看作由多数个导体圆环构成,当穿过圆环的磁通量发生变更时,圆环上就产生感应电流,即小涡流(一种交变电流,家用电磁炉运用的是15～30kHz的高频电流)。它和一般电流一样要放出焦耳热,会使锅体本身自行高速发热,然后再加热锅内食物。(1)为什么锅体必需是导磁性材料?(2)如图所示为电磁灶的结构示意图。电磁灶是依据涡流原理给锅加热的,调查探讨电磁灶与一般烹饪灶具比较具有哪些优点?(写出两条即可)【解析】(1)由于非导磁性材料不能有效汇聚磁感线,几乎不能形成涡流,所以基本上不加热;另外,导电实力特殊差的磁性材料由于其电阻率太高,产生的涡流电流也很小,也不能很好地产生热量。所以,电磁灶运用的锅体材料导电性能相对较好,一般采纳铁磁性材料的金属或者合金以及它们的复合体,一般采纳的锅有:铸造铁锅、生铁锅、不锈铁锅。纯不锈铁锅材料由于其导磁性能特别低,所以在电磁灶上并不能正常工作。(2)①热效率高。由于电磁灶是通过涡流而使磁性锅体发热的,它不存在热量再传导或辐射的过程,也就削减了传导和辐射过程中的热量损耗,热效率较高。一般电炉的热效率为50%,煤气灶的热效率为40%,而电磁灶的热效率可达80%。②控温精确。电磁灶能便利而精确地依据用户的要求限制发热功率及烹调温度,热惯性小,断电即断磁,也就不再发热,而且使锅内温度分布匀称,烹调效果好。③平安牢靠。由于电磁灶运用时不产生明火,再加上灶台本身不发热,并且又附有多种自动爱护功能,因此运用时,不会发生烫伤事故,也不会引起火灾、爆炸、中毒等事故。④清洁卫生。由于电磁灶无明火,无烟,不会产生有害气体污染空气,还能保持锅体和灶台清洁,由于灶台面板为结晶陶瓷玻璃制成,即使食物溢出也不会焦糊,如有污物很简洁擦净。⑤运用便利。电磁灶体积小,重量轻,操作简洁,一目了然,可随意搬动,便于携带,可以作为外出旅游之用,也可以放在餐桌上运用。答案:见解析情境·模型·素养电磁缓速器是应用于车辆上以提高运行平安性的协助制动装置,其工作原理是利用电磁阻尼作用减缓车辆的速度。电磁阻尼作用可以借助如下模型探讨:如图所示,将形态相同的两根平行且足够长的铝条固定在光滑斜面上,斜面与水平方向夹角为θ。一质量为m的条形磁铁滑入两铝条间,恰好匀速穿过,穿过时磁铁两端面与两铝条的间距始终保持恒定,其引起电磁感应的效果与磁铁不动、铝条相对磁铁运动相同。磁铁端面是边长为d的正方形,由于磁铁距离铝条很近,磁铁端面正对两铝条区域的磁场均可视为匀强磁场,磁感应强度为B,铝条的高度大于d,电阻率为ρ。为探讨问题便利,铝条中只考虑与磁铁正对部分的电阻和磁场,其他部分电阻和磁场可忽视不计,假设磁铁进入铝条间以后,削减的机械能完全转化为铝条的内能,重力加速度为g。探究:(1)求铝条中与磁铁正对部分的电流I;(2)若两铝条的宽度均为b,推导磁铁匀速穿过铝条间时速度v的表达式;(3)在其他条件不变的状况下,仅将两铝条更换为宽度b′>b的铝条,磁铁仍以速度v进入铝条间,试简要分析说明磁铁在铝条间运动时的加速度和速度如何变更。【解析】(1)磁铁在铝条间运动时,两根铝条受到的安培力大小相等均为F安,有F安=IdB ①磁铁受到沿斜面对上的作用力为F,其大小有F=2F安 ②磁铁匀速运动时受力平衡,则有F-mgsinθ=0 ③联立①②③式可得I= ④(2)磁铁穿过铝条时,在铝条中产生的感应电动势为E,有E=Bdv ⑤铝条与磁铁正对部分的电阻为R,由电阻定律有R=ρ ⑥由欧姆定律有I= ⑦联立④⑤⑥⑦式可得v= ⑧(3)磁铁以速度v进入铝条间,恰好做匀速运动时,磁铁受到沿斜面对上的作用力F,联立①②⑤⑥⑦式可得F= ⑨当铝条的宽度b′>b时,磁铁以速度v进入铝条间时,磁铁受到的作用力变为F′,有F′= ⑩可见,F′>F=mgsinθ,磁铁所受到的合力方向沿斜面对上,获得与运动方向相反的加速度,磁铁将减速下滑,此时加速度最大。之后,随着运动速度减小,F′也随着减小,磁铁所受的合力也减小,由于磁铁加速度与所受到的合力成正比,磁铁的加速度渐渐减小。综上所述,磁铁做加速度渐渐减小的减速运动,直到F′=mgsinθ时,磁铁重新达到平衡状态,将再次以较小的速度匀速下滑。答案:(1)(2)v=(3)见解析如图所示是高频焊接原理示意图,线圈中通以高频沟通电时,待焊接的金属工件中就产生感应电流,由于焊接缝处的接触电阻很大,放出的焦耳热很多,致使温度升得很高,将金属熔化,焊接在一起,我国生产的自行车车架就是用这种方法焊接的。探究:为什么交变电流的频率越高,焊接缝处放出的热量越大?【解析】交变电流的频率越高,它产生的磁场的变更就越快,依据法拉第电磁感应定律,在待焊接工件中产生的感应电动势就越大,感应电流就越大,而放出的电热与电流的平方成正比,所以交变电流的频率越高焊接处放出的热量越多。答案:见解析课堂检测·素养达标1.物理学的基本原理在生产生活中有着广泛应用。下面列举的四种器件中,利用电磁感应原理工作的是 ()【解析】选B。可变电容器是变更极板间的正对面积进而变更电容的,故A错误;电磁炉是利用锅底在磁场中产生涡流而产生热量,应用了电磁感应现象,故B正确;质谱仪是利用了带电粒子在磁场中偏转而工作的,故C错误;示波管是带电粒子在电场中偏转,故D错误。故选B。【加固训练】电磁炉是利用涡流加热的,它利用交变电流通过线圈产生变更的磁场,当磁场内的磁感线通过锅底时,即会产生多数小涡流,使锅体本身高速发热,从而达到烹饪食物的目的。因此,下列的锅类或容器中,适用于电磁炉的是 ()A.煮中药的瓦罐 B.不锈钢锅C.玻璃茶杯 D.塑料盆【解析】选B。煮中药的瓦罐、玻璃茶杯、塑料盆都不是铁质锅,不能被磁化,因而不能形成涡流(即电流),故不能用来加热食物,故A、C、D错误,B正确。2.甲、乙两个完全相同的铜环可绕固定的轴OO′无摩擦旋转,若分别加上如图甲、乙所示的匀强磁场,当同时给甲、乙相同的初速度旋转时 ()A.甲环先停B.乙环先停C.两环同时停下D.无法推断两环停止的先后【解析】选B。甲环旋转时,穿过环的磁通量不变,没有感应电流产生,而乙环旋转时,穿过环的磁通量不断变更,有感应电流产生,依据楞次定律,运动导体上的感应电流所受的磁场力(安培力)总是抗拒(或阻碍)导体的运动,因此乙环先停下。故A、C、D错误,B正确。故选B。3.如图是机场的安检人员用手持金属探测器检查乘客的情景,探测线圈内通有交变电流,能产生快速变更的磁场,当探测线圈靠近金属物体时,这个磁场能在金属物体内部产生涡电流,涡电流又会产生