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1、7涡流、电磁阻尼和电磁驱动学习目标1.知道涡流的产生原因及涡流的防止和应用.2.知道电磁阻尼和电磁驱动的原理和应用.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，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.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导体运动，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
2、力使导体运动起来，这种作用常常称为电磁驱动.即学即用1.判断下列说法的正误.(1)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.()(2)电磁阻尼和电磁驱动均遵循楞次定律.()(3)电磁阻尼发生的过程，存在机械能向内能的转化.()(4)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.()2.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).一个质量为m的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，重力加速度为g，则金属块在曲面上滑动的过程中产生
3、的焦耳热总量为_.图1答案mg(ba)mv2一、涡流导学探究如图2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2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.知识深化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.3
4、.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)(2017苏州市调研)“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3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，从而粘贴在承封容器的封口处，达到迅速封口的目的.下列有关说法正确的是()图3A.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
5、作为电源以方便携带C.封口过程中温度过高，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，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，但对应被封口的容器不能是金属，只能是玻璃、塑料等材质，D正确.例2(多选)如图4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4A.若是匀强磁场，环上升的高度小于hB.若是匀强磁场，环
6、上升的高度等于hC.若是非匀强磁场，环上升的高度等于hD.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错误，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C错误，D正确.二、电磁阻尼导学探究弹簧上端固定，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5所示)，磁铁就会很快停下来，解释这个现象.图5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，
7、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.知识深化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磁场力的作用，根据楞次定律，磁场力总是阻碍导体的运动，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，就会存在电磁阻尼作用.例3(2017南通市第一次调研测试)如图6所示，圆筒形铝管竖直置于水平桌面上，一磁块从铝管的正上方由静止开始下落，穿过铝管落到水平桌面上，下落过程中磁块不与管壁接触.忽略空气阻力，则在下落过程中()图6A.磁块做自由
8、落体运动B.磁块的机械能守恒C.铝管对桌面的压力大于铝管的重力D.磁块动能的增加量大于重力势能的减少量答案C解析磁块下落过程中，铝管中磁通量发生变化，产生涡流，涡流产生的磁场对磁块有向上的作用力，磁块做的不是自由落体运动，机械能减少，A、B错误；涡流产生的磁场对磁块有向上的作用力，则铝管受到向下的作用力，所以铝管对桌面的压力大于铝管的重力，C正确；磁块的机械能减少，所以磁块动能的增加量小于重力势能的减少量，D错误.三、电磁驱动导学探究一个闭合线圈放在蹄形磁铁的两磁极之间，如图7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.
9、图7(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有什么关系？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.线圈的转动速度小于磁铁的转动速度.知识深化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.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而对外做功.例4如图8所示，蹄形磁铁和矩
10、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8A.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.如果两者的转速相同，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项错误.1.由楞次定律的推广含义知，线圈的运动可以阻碍两者间的相对运动，所以其角速度必小于磁铁转动的角速度.2.电磁驱动和电磁阻尼的联系：电磁驱动和电磁阻尼现象中安培力的作用效果均为阻碍导体间的相对运动.1.(涡流的应用与防止)(20
11、17南通中学高二上学期期中)铺设海底金属油气管道时，焊接管道需要先用感应加热的方法对焊口两侧进行预热.如图9所示，将被加热管道置于感应线圈中，当感应线圈中通以电流时管道发热.下列说法正确的是()图9A.管道发热是由于线圈中的电流直接流经管道引起的B.感应加热是利用线圈电阻产生的焦耳热加热管道的C.感应线圈中通以恒定电流时，也能在管道中产生电流D.感应线圈中通以交流电，在管道中形成涡流答案D解析管道发热是由于线圈中通入交流电产生变化的磁场，变化的磁场在金属管道中形成涡流而产生的，本题D正确.2.(涡流的应用与防止)(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(
12、)图10A.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AD3.(对电磁阻尼的理解)(多选)如图11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11A.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，使线圈偏转后尽快停下来，这样做是利用涡流来起电磁阻尼的作用，故B、C正确.4.(对电磁驱动的理解)(多选)1824
13、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12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12A.圆盘上产生了感应电动势B.圆盘内的涡电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AB考点一涡流的理解、利用和防止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
14、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.(多选)对变压器和电动机中涡流的认识，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，损耗额外
15、的能量，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减小涡流，并非不产生涡流，C错误；涡流产生于铁芯中，D错误.3.(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
16、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.4.如图1所示为高频电磁炉的工作示意图，它是采用电磁感应原理产生涡流加热的，它利用变化的电流通过线圈产生变化的磁场，当变化的磁场通过含铁质锅的底部时，即会产生无数小涡流，使锅体本身自行高速升温，然后再加热锅内食物.电磁炉工作时产生的电磁波，完全被线圈底部的屏蔽层和顶板上的含铁质锅所吸收，不会泄漏，对人体健康无危害.关于电磁炉
17、，以下说法中正确的是()图1A.电磁炉是利用变化的磁场在食物中产生涡流对食物加热的B.电磁炉是利用变化的磁场产生涡流，使含铁质锅底迅速升温，进而对锅内食物加热的C.电磁炉是利用变化的磁场使食物中的极性水分子振动和旋转来对食物加热的D.电磁炉跟电炉一样是让电流通过电阻丝产生热量来对食物加热的答案B解析电磁炉的工作原理是利用变化的电流通过线圈产生变化的磁场，变化的磁场通过含铁质锅的底部产生无数小涡流，使锅体温度升高后加热食物，故选项A、D错误，B正确；而选项C是微波炉的加热原理，C错误.考点二电磁阻尼的理解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
18、靠近磁铁，如图2所示，观察磁铁的振幅将会发现()图2A.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，有电能产生，磁铁的机械能越来越少，振幅逐渐减小，A正确.6.如图3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3A.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
19、极性来决定答案A7.(2017宿迁市高二下学期期末)如图4所示，一个质量为M、长为L的铜管用细线悬挂在天花板上，现让一强磁铁(可视为质点)从铜管上端由静止下落，强磁铁在下落过程中与铜管不接触，在强磁铁穿过铜管过程中()图4A.铜管中没有感应电流B.整个系统机械能守恒C.细线中的拉力FMgD.强磁铁穿过铜管的时间t 答案D解析磁铁穿过铜管过程中，铜管中产生涡流，形成电磁阻尼，磁铁机械能减少，系统机械能不守恒，细线中的拉力大于Mg，磁铁穿过铜管过程中由于阻碍作用，运动变慢，时间比自由落体时的时间长，t ，D正确.8.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
20、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左右振动的衰减最有效的方案是()图5答案A解析紫铜薄板上下及左右振动，都存在磁通量变化的为选项A所示方案.9.一个半径为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6所示.现使圆环从与悬点O等高位置A处由静止释放(细绳伸直，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6
21、A.mgL B.mg(r)C.mg(Lr) D.mg(L2r)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(Lr).考点三电磁驱动10.如图7所示，闭合导线圆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极向纸里，S极向纸外转动，在此过程中，圆环将 ()图7A.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
22、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，圆环并不转动答案A解析磁铁开始转动时，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，圆环与磁铁同向转动，所以选项A正确.11.如图8所示，在一蹄形磁铁下面放一个铜盘，铜盘和磁铁均可以绕OO轴自由转动，两磁极靠近铜盘，但不接触.当磁铁绕轴转动时，铜盘将()图8A.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B12.(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9所示，在此过程中()图9A.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一直做加速运动，C项对.