2018版物理新课堂同步选修3-2文档：第4章 7 涡流、电磁阻尼和电磁驱动 含解析 精品

7 涡流、电磁阻尼和电磁驱动
[先填空]
1．概念：由于电磁感应，在导体中产生的像水中旋涡样的感应电流．
2．特点：整块金属的电阻率很小，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、变压器等设备中应防止铁芯中涡流过大而导致浪费能量、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．
[再判断]
1．涡流是由整块导体发生的电磁感应现象，不遵从电磁感应定律．(×)
2．通过增大铁芯材料的电阻率可以减小涡流．(√)
3．变压器的铁芯用硅钢片叠成是为了减小涡流．(√)
[后思考]
北京奥运会期间，观众入场前都要接受安全检查，如图4-7-1是一种手持式
安全检查报警器，一靠近金属体，它就会发出报警声，这是为什么呢？
图4-7-1
【提示】在报警器内有一线圈，线圈中通有高频电流，因此线圈周围有着高频的变化磁场．当报警器靠近金属体时，线圈的磁场在金属体中感应出涡电流，涡电流的产生，又影响原线圈中的高频电流，从而使相关的电子线路产生报警声．
[合作探讨]
探讨1：在哪些情况下可以产生涡流？
【提示】①把金属块放在变化的磁场中．
②让块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动．
探讨2：涡流发生时，伴随着哪些能量发生转化？
【提示】其他形式的能转化为电能，最终转化为内能．
[核心点击]
1．涡流产生的条件
(1)穿过金属块的磁通量发生变化．
(2)金属块自身构成闭合回路．
(3)金属块的电阻较小．
2．涡流现象中的能量分析
(1)金属块放在了变化的磁场中，则磁场能转化为电能最终转化为内能．
(2)如果是金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动，则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，就会产生电热．
3．涡流的利用与防止
(1)利用．
①电磁炉：金属块内产生涡流时将会产生电热，因此可以用涡流来加热物体．电磁炉就是利用了这一原理．
②真空冶炼：用来冶炼合金钢的真空冶炼炉，炉外有线圈，线圈中通入周期性变化的电流，炉内的金属中产生涡流．涡流产生的热量使金属熔化并达到很高的温度，利用涡流冶炼的优点是整个过程能在真空中进行，这样就能防止空气中的杂质进入金属，可以冶炼高质量的合金．
(2)防止：①增大铁芯材料的电阻率，常用的铁芯材料是硅钢，它的电阻率比较大．
②用互相绝缘的薄硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯，而铁芯中的涡流被限制在狭窄的薄片内，回路的电阻很大，涡流大为减弱，涡流产生的热量也减少．
1．(多选)如图4-7-2所示，在线圈上端放置一盛有冷水的金属杯，现接通交流电源，过了几分钟，杯内的水沸腾起来．若要缩短上述加热时间，下列措施可行的有()
【导学号：05002062】
图4-7-2
A．增加线圈的匝数
B．提高交流电源的频率
C．将金属杯换为瓷杯
D．取走线圈中的铁芯
【解析】考查涡流现象、影响感应电动势大小的因素及分析问题的能力．增大线圈的匝数，可以增大通过金属杯的磁通量及磁通量的变化率，从而增大金属杯中产生感应电流的大小，增大加热功率，缩短加热时间，A正确；提高交流电的频率，最大磁通量不变，但交替变化快也能提高磁通量的变化率，产生更大的感应电流，达到缩短加热时间的目的，B正确；瓷杯是绝缘体，不能产生感应电流，不能加热，C错误；取走铁芯，金属杯中的磁通量变小，磁通量的变化率也
变小，从而导致加热功率变小，加热时间加长，D错误．
【答案】AB
2．高频感应炉是用来熔化金属对其进行冶炼的，如图4-7-3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，这时被冶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炼金属中，因此适用于冶炼特种金属．该炉的加热原理是()
图4-7-3
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
【解析】交变电流产生的交变磁场在炉内金属截面上引起磁通量变化，使金属内部出现感应电流，因金属的电阻很小，所以感应电流很强．它在金属内自成回路时，形成旋涡状的电流，即涡流．涡流产生大量的焦耳热使炉内温度升高，金属熔化．
【答案】 C
3．(多选)如图4-7-4所示是高频焊接原理示意图．线圈中通以高频交变电流时，待焊接的金属工件中就产生感应电流，感应电流通过焊缝处产生大量热量，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()
【导学号：05002063】
图4-7-4
A．交流电的频率越高，焊缝处的温度升高得越快
B ．交流电的频率越低，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
【解析】 交变电流的频率越高，它产生的磁场的变化就越快．根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，而放出的热量与电流的平方成正比，所以交变电流的频率越高，焊缝处放出的热量越多；焊缝处与其他地方的电流大小一样，根据Q ＝I 2Rt ，工件上只有焊缝处温度升得高，是因为焊缝处电阻很大，故A 、D 选项正确．
【答案】 AD
解决涡流问题要掌握以下三个方面的知识
1．涡流的产生条件及能量转化情况；
2．涡流是整块导体发生的电磁感应现象，同样遵循法拉第电磁感应定律；
3．磁场变化越快⎝ ⎛⎭
⎪⎫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．
[先填空]
1．电磁阻尼 (1)概念：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运动的现象． (2)应用：磁电式仪表中利用电磁阻尼使指针迅速停止摆动，便于读数．
2．电磁驱动
(1)概念：磁场相对于导体转动时，导体中产生感应电流，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的现象．
(2)应用：交流感应电动机．
[再判断]
1．在电磁阻尼与电磁驱动中安培力所起的作用相同．(×)
2．在电磁阻尼现象中的能量转化是导体克服安培力做功，把其他形式的能转化为电能，最终转化为内能．(√)
3．交流感应电动机利用了电磁阻尼的原理．(×)
[后思考]
电磁驱动现象中，导体在安培力作用下的运动速度总要比磁场的运动速度慢一些，原因是什么？
【提示】如果导体速度和磁场速度一样，则两者相对速度为零，感应电流便不会产生，这时的电磁驱动作用就会消失，所以导体速度总要比磁场速度慢一些．
[合作探讨]
如图4-7-5所示，弹簧的上端固定，下端悬挂一根磁铁，将磁铁托起到一定高度后释放，磁铁能振动较长的时间才停下来．
图4-7-5
探讨1：若在磁铁下端固定一个闭合的塑料线圈，使磁铁振动起来后，其振动时间是否变化？
【提示】由于塑料线圈是绝缘的，磁铁穿过圆环时不能产生感应电流，线圈对磁铁没有作用力，所以磁铁的振动时间不变．
探讨2：若在磁铁下端固定一个闭合的金属铜线圈，使磁铁振动起来后，其振动时间是否变化？
【提示】在磁铁穿过金属铜线圈的过程中，其磁通量不断变化，在线圈中产生感应电流，线圈与磁铁之间产生安培力作用，安培力对磁铁的振动起阻碍作
用，所以磁铁的振动时间缩短．
[核心点击]
1．电磁驱动和电磁阻尼的形成原因
图4-7-6
(1)当蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量就发生变化．例如，线圈处于如图4-7-6所示的初始状态时，穿过线圈的磁通量为零，当蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量就增加了，根据楞次定律，此时线圈中就有感应电流产生，以阻碍磁通量的增加，因而线圈会跟着一起转动起来．
(2)从动力学的观点来看，线圈中产生的感应电流受到的安培力是使线圈转动起来的动力，对线圈而言是电磁驱动；而线圈对磁铁的作用力是对磁铁的转动起阻碍作用，对磁铁而言是电磁阻尼，因此电磁驱动和电磁阻尼是矛盾的两个方面，不可分割．
2．电磁阻尼与电磁驱动的比较
4．(多选)如图4-7-7所示，是电表中的指针和电磁阻器，下列说法中正确的是()
图4-7-7
A．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
【解析】当电表的指针摆动时，金属框1在蹄形磁铁2中同时转动，则1中产生感应电流——即涡流，磁场对涡流产生安培力阻碍其间的相对运动，使指针很快稳定下来，故A、D正确．
【答案】AD
5．如图4-7-8所示，蹄形磁铁的两极之间放置一个线圈abcd，磁铁和线圈都可以绕OO′轴转动，当磁铁按图示方向绕OO′轴转动时，线圈的运动情况是()
【导学号：05002064】
图4-7-8
A．俯视，线圈顺时针转动，转速与磁铁相同
B．俯视，线圈逆时针转动，转速与磁铁相同
C．线圈与磁铁转动方向相同，但转速小于磁铁的转速
D．线圈静止不动
【解析】当磁铁转动时，由楞次定律知，线圈中有感应电流产生，以阻碍磁通量的增加，即线圈将与磁铁的转动方向相同，以阻碍磁通量的增加．但转速
一定小于磁铁的转速，如果两者转速相同，则线圈与磁铁处于相对静止，线圈不切割磁感线，无感应电流产生．
【答案】 C
6．在水平面上放置两个完全相同的带中心轴的金属圆盘，它们彼此用导线把中心轴和对方圆盘的边缘相连接，组成电路如图4-7-9所示，一匀强磁场穿过两圆盘垂直向外，若不计一切摩擦，当a盘在外力作用下做逆时针转动时，转盘b()
【导学号：05002065】
图4-7-9
A．沿与a盘相同的方向转动
B．沿与a盘相反的方向转动
C．转动的角速度可能大于a盘的角速度
D．转动的角速度可能等于a盘的角速度
【解析】如图所示，金属圆盘可看做由多根金属辐条组成，a盘在外力作用下逆时针转动时，圆盘切割磁感线，由右手定则判知，电
动势方向为由O1→A，在闭合电路中有方向为O1AO2BO1的感
应电流，而对b盘，由左手定则和能的转化和守恒定律判知，
b盘顺时针转动且其转动的角速度一定小于a盘的角速度，选项B正确．【答案】 B
对电磁阻尼和电磁驱动的理解
1．电磁阻尼是感应电流所受的安培力对导体做负功，阻碍导体运动；而电磁驱动是感应电流所受的安培力对导体做正功，推动导体的运动．2．在两种情况下，安培力均是阻碍导体与磁场之间的相对运动．
3．在电磁驱动中，主动部分的速度(或角速度)大于被动部分的速度(或角速度)．
4．电磁阻尼和电磁驱动都是电磁感应现象，均可以根据楞次定律和左手定则分析导体的受力情况．。