河北省邢台市高中物理 第四章 电磁感应4.7 涡流、电磁阻尼和电磁驱动

河北省邢台市高中物理 第四章 电磁感应4.7 涡流、电磁阻尼和电磁驱动

‎4.7 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 ‎[问题设计]‎ ‎1．如图1所示，当磁场变化时，导体中就会产生感应电流，那么导体中的电荷为什么会定向移动而形成电流？‎ 图1‎ ‎2.如果磁场是用变化的电流来获取的，导体用整块铁代替，如图2所示．请问铁块中有感应电流吗？如果有，它的形状像什么？‎ 图2‎ ‎[要点提炼]‎ ‎1．定义：当线圈中的电流随时间变化时，由于 ，在附近导体中产生像水中旋涡样的感应电流，所以把这种感应电流叫做 ．‎ ‎2．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： 、 、机场安检等．‎ ‎4．防止：电动机、变压器等设备中应防止涡流过大而导致浪费能量，损坏电器．可增大铁芯材料的 、用相互绝缘的 叠成的铁芯代替整块硅钢铁芯．‎ 二、电磁阻尼和电磁驱动 ‎[问题设计]‎ ‎1．电磁阻尼 弹簧上端固定，下端悬挂一根磁铁．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3所示)，磁铁就会很快停下来，解释这个现象．‎ ‎2．电磁驱动 一个闭合线圈放在蹄形磁铁的两磁极之间，如图4所示，蹄形磁铁和闭合线圈都可以绕OO′轴转动．当蹄形磁铁顺时针转动时线圈也顺时针转动，当磁铁逆时针转动时线圈也逆时针转动．‎ 图4‎ 根据以上现象，回答下列问题：‎ ‎(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相同吗？‎ ‎[要点提炼]‎ ‎1．电磁阻尼 ‎(1)定义：当 时，感应电流会使导体受到 ，安培力的方向总是阻碍导体的运动，这种现象称为 ．‎ ‎(2)应用：电磁阻尼中需要克服安培力做功，其他形式的能转化为电能，最终转化为内能．所以磁电式仪表中利用电磁阻尼使指针迅速停止，便于读数．‎ ‎2．电磁驱动 ‎(1)定义：如果 转动，在导体中会产生 ，感应电流使导体受到安培力的作用， 使导体运动起来，这种作用常称为电磁驱动．‎ 注意：电磁驱动中导体的运动速度要 磁场的运动速度．‎ ‎(2)应用：电磁驱动中导体受安培力的方向与导体运动方向 ， 做功， 导体运动，电能转化为机械能．所以利用电磁驱动发明了交流感应电动机．‎ ‎3．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 相对运动．‎ 一、涡流的理解与应用 例1 如图5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( )‎ 图5‎ 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 针对训练 光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图6所示，抛物线的方程是y＝x2，下半部处在一个水平方向的匀强磁场中，磁场的上边界是y＝a的直线(图中的虚线所示)，一个小金属块从抛物线上y＝b(b＞a)处以初速度v沿抛物线下滑．假设抛物线足够长，金属块沿抛物线下滑后产生的焦耳热总量是 ( )‎ 图6‎ A．mgb B.mv‎2 C．mg(b－a) D．mg(b－a)＋mv2‎ 二、对电磁阻尼的理解 例2 如图7所示，一狭长的铜片能绕O点在纸平面内摆动，有界磁场的方向垂直纸面向里，铜片在摆动时受到较强的阻尼作用，很快就停止摆动．如果在铜片上开几个长缝，铜片可以在磁场中摆动较多的次数后才停止摆动，这是为什么？‎ 图7‎ 三、对电磁驱动的理解 例3 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8所示，在此过程中( )‎ 图8‎ 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 ‎1．(涡流的理解)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 ‎2．(涡流的应用)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 ‎3．(电磁阻尼的理解与应用)如图9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( )‎ 图9‎ 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 ‎4．(电磁驱动的理解与应用)如图10所示，磁极远离和靠近圆环时产生的现象正确的是 ( )‎ 图10‎ A．图中磁铁N极接近A环时，A环被吸引，而后被推开 B．图中磁铁N极远离A环时，A环被排斥，而后随磁铁运动 C．用磁铁N极接近B环时，B环被排斥，远离磁铁运动 D．用磁铁的任意一磁极接近A环时，A环均被排斥 题组一涡流的理解与应用 ‎1．下列仪器是利用涡流工作的有( )‎ A．电磁炉 B．微波炉 C．金属探测器 D．真空冶炼炉 ‎2．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 ‎3.高频感应炉是用来熔化金属对其进行冶炼的，如图1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，因此适于冶炼特种金属．那么该炉的加热原理是( )‎ 图1‎ 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 ‎4．变压器的铁芯是利用薄硅钢片叠压而成的，而不是采用一整块硅钢，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．增大铁芯中的电阻，以产生更多的热量 D．增大铁芯中的电阻，以减小发热量 ‎5.如图2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分别是( )‎ 图2‎ 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 ‎6．如图3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．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的锅所吸收，不会泄漏，对人体健康无危害．关于电磁炉，以下说法中正确的是( )‎ 图3‎ A．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，使含铁质的锅底迅速升温，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 ‎7．人造卫星绕地球运行时，轨道各处地磁场的强弱并不相同，因此，金属外壳的人造地球卫星运行时，外壳中总有微弱的感应电流．试分析这一现象中的能量转化情况，它对卫星的运动可能产生怎样的影响？‎ 题组二 对电磁阻尼的理解与应用 ‎8.如图4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管上端的管口无初速度释放，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4‎ 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 ‎9.如图5所示 ，金属球(铜球)下端有通电的线圈，今把金属球向上拉离平衡位置后释放，此后金属球的运动情况是(不计空气阻力)( )‎ 图5‎ A．做等幅振动 B．做阻尼振动 C．振幅不断增大 D．无法判定 ‎10．如图6所示是电表中的指针和电磁阻尼器，下列说法中正确的是( )‎ 图6‎ A．2是磁铁，1中产生涡流 B．1是磁铁，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下来 ‎11．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( )‎ 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 题组三 对电磁驱动的理解与应用 ‎12.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 ‎13.如图8所示，闭合导线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8‎ A．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