2020版高中物理 第四章 电磁感应 4涡流、电磁阻尼和电磁驱动

2020版高中物理 第四章 电磁感应 4涡流、电磁阻尼和电磁驱动

‎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．(　√　)‎ 7‎ ‎(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y＝x2，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y＝a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y＝b(b>a)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的焦耳热总量为________．‎ 图1‎ 答案　mg(b－a)＋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．涡流的应用与防止 ‎(1)应用：真空冶炼炉、探雷器、安检门等．‎ 7‎ ‎(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3‎ A．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，否则同样会被熔化，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4‎ A．若是匀强磁场，环上升的高度小于h B．若是匀强磁场，环上升的高度等于h C．若是非匀强磁场，环上升的高度等于h D．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 7‎ ‎[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，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　如图6所示，上端开口、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，则小磁块(不计空气阻力)(　　)‎ 图6‎ 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 答案　C 解析　小磁块下落过程中，在铜管P中产生感应电流，小磁块受到向上的磁场力，不做自由落体运动，而在塑料管Q中只受到重力，在Q中做自由落体运动，故选项A错误；根据功能关系知，在P中下落时，小磁块机械能减少，在Q中下落时，小磁块机械能守恒，故选项B错误；在P中加速度较小，在P中下落时间较长，选项C正确；由于在P中下落时要克服磁场力做功，机械能有损失，故落至底部时在P中的速度比在Q中的小，选项D错误．‎ 三、电磁驱动 7‎ ‎[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．‎ 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8‎ 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项错误．‎ 7‎ ‎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)(多选)变压器的铁芯是利用薄硅钢片叠压而成，而不采用一块整硅钢，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 答案　BD 解析　采用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．(涡流的应用与防止)(多选)如图9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(　　)‎ 图9‎ A．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　AD ‎3．(对电磁阻尼的理解)(多选)如图10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(　　)‎ 7‎ 图10‎ 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 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11‎ A．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 7‎