2020人教版高二物理选修3：2_第7节涡流

第7节涡流、电磁阻尼和电磁驱动学习目标1．了解涡流是怎样产生的．2．了解涡流现象的利用和危害．3．通过对涡流实例的分析，了解涡流现象在生活和生产中的应用．4．了解电磁阻尼和电磁驱动．|基础知识·填一填|一、涡流1．定义：做涡电流，简称涡流．2．特点：3．应用(1)(2)4．防止(1)(2)二、电磁阻尼1．定义：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8阻碍导体的运动的现象．2．应用：三、电磁驱动1．定义：如果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2．应用：交流感应电动机．|基础小题·做一做|1．正误判断(1)涡流也是一种感应电流．(√)(2)导体中有涡流时，导体本身会产热．(√)(3)电磁阻尼和电磁驱动均遵循楞次定律．(√)(4)电磁阻尼发生的过程中，存在机械能向内能的转化．(√)(5)电磁驱动时，被驱动的导体中有感应电流．(√)2．电磁炉是利用电磁感应现象产生的涡流，使锅体发热从而加热食物，下列相关的说法正确的是()A．锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关B．电磁炉中通入电压足够高的直流电也能正常工作C．金属或环保绝缘材料制成的锅体都可以利用电磁炉来烹饪食物D．电磁炉的上表面一般都用金属材料制成，以加快热传递减少热损耗解析：选A锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关，故A正确；直流电不能产生变化的磁场，在锅体中不能产生感应电流，电磁炉不能使用直流电，故B错误；锅体只能用铁磁性导体材料，不能使用绝缘材料制成锅体，故C错误；电磁炉产生变化的磁场，导致加热锅底出现涡流，从而产生热量而不是靠热传递，故D错误．3．如图所示，光滑水平绝缘面上有两个金属环静止在平面上，环1竖直，环2水平放置，均处于中间分割线上，在平面中间分割线正上方有一条形磁铁，当磁铁沿中间分割线向右运动时，下列说法正确的是()A．两环都向右运动B．两环都向左运动C．环1静止，环2向右运动D．两环都静止解析：选C条形磁铁向右运动时，环1中磁通量保持为零不变，无感应电流，仍静止．环2中磁通量变化，根据楞次定律，为阻碍磁通量的变化，感应电流的效果是使环2向右运动．4．涡流的产生条件是什么？块状金属在匀强磁场中运动时，能否产生涡流？提示：①涡流是发生电磁感应现象时产生的感应电流，故涡流的产生条件：a．金属块本身能够形成闭合回路；b.穿过金属块的磁通量发生变化．②块状金属在匀强磁场中运动时不能产生涡流，因为穿过该金属块的磁通量不发生变化．|核心知识·记一记|1．线圈中的电流变化时，线圈附近的导体中会产生涡流，涡流会产生热量，因此在日常生活中，既要防止有害涡流，又要利用有益涡流．2．导体在磁场中运动，感应电流会使导体受到安培力阻碍其运动，即为电磁阻尼．3．磁场运动时，在磁场中的导体内会产生感应电流，使导体受到安培力的作用而运动起来，即为电磁驱动．★要点一对涡流的理解和应用|要点梳理|1．涡流的特点当电流在金属块内自成闭合回路(产生涡流)时，由于整块金属的电阻很小，涡流往往很强，根据公式P＝I2R知，热功率的大小与电流的平方成正比，故金属块的发热功率很大．2．涡流中的能量转化涡流现象中，其他形式的能转化成电能，并最终在金属块中转化为内能．如果金属块放在变化的磁场中，则磁场能转化为电能，最终转化为内能；如果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．|例题展示|【例1】 光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图所示，抛物线的方程为y ＝x 2，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，则金属块在曲面上滑动的过程中产生的焦耳热总量是( )A ．mgbB ．12m v 2 C ．mg (b －a )D ．mg (b －a )＋12m v 2 [解析] 由初状态到末状态(金属块在磁场区域内往复运动)能量守恒．初状态机械能E 1＝mgb ＋12m v 2，末状态机械能E 2＝mga ，焦耳热Q ＝E 1－E 2＝mg (b －a )＋12m v 2. [答案] D[易 错 警 示]涡流问题的两点提醒(1)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．(2)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．|对点训练|1．金属探测器是用来探测金属的仪器，关于其工作原理，下列说法中正确的是( )A．探测器内的探测线圈会产生稳定的磁场B．只有有磁性的金属物才会被探测器探测到C．探测到金属物是因为金属物中产生了涡流D．探测到金属物是因为探测器中产生了涡流解析：选C金属探测器利用涡流探测金属物品原理是：探测器内线圈中交变电流产生交变的磁场，会在金属物品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化，从而被探测到．故A、B、D错误，C正确．2．电磁炉(图(甲))的使用让生活便利，环保低碳，它是利用电磁感应原理将电能转换为热能的．某位同学设计了一个小实验模拟电磁炉的工作原理，如图(乙)，在插入铁芯的线圈上端放置一盛有冷水的铁质杯，现接通电源，过了几分钟，杯内的水沸腾起来．关于该实验，下列说法正确的是()A．该同学使用的电源既可以是交流电源，也可以是直流电源B．高频电磁炉有加热线圈，通过热传导将热能传导给锅体及锅内食物C．提高交流电源的频率，同一杯水重复试验，水加热到沸腾时间缩短D．将铁质杯换成电阻率更小的铝质或铜质杯，同一杯水重复试验，水加热到沸腾时间缩短解析：选C由于采用的是电磁感应原理，要使线圈中产生感应电流，所需磁场必须是变化的，所以只能采用交流电源，故A错误；本实验采用的是电磁感应原理，即线圈中产生的磁场在锅体中产生涡流而产生的热量，不是利用热传导原理加热食物的，故B错误；根据电磁感应规律可知，提高交流电源的频率，同一杯水重复试验，水加热到沸腾时间缩短，故C正确；由于采用电磁感应原理，由于铁质材料可以磁化，故可以加强电磁感应现象，所以采用铁质锅体比铝质或铜质杯效果更好，故D错误．★要点二电磁阻尼的应用|要点梳理|电磁阻尼有不少应用．例如：使用磁电式电表进行测量时，总希望指针摆到所示值的位置时便迅速地稳定下来，以便读数．由于指针转轴的摩擦力矩很小，若不采取其他措施，线圈及指针将会在所示值附近来回摆动，不易稳定下来．为此，许多电表把线圈绕在闭合的铝框上，当线圈摆动时，在闭合的铝框中将产生感应电流，从而获得电磁阻尼力矩，以使线圈迅速稳定在所示值的位置．电气列车中的电磁制动器也是根据电磁阻尼这一道理制成的．|例题展示|【例2】如图所示，在O点正下方有一个具有理想边界的磁场，铜球在A点由静止释放，向右摆至最高点B，不考虑空气阻力，则下列说法正确的是()A．A、B两点在同一水平线上B．A点高于B点C．A点低于B点D．最终铜球将做等幅摆动[解析]铜球进磁场和出磁场的过程中，都有涡流产生，阻碍铜球的摆动，从而有机械能转化为内能，A点高于B点，最终铜球将在磁场中做等幅摆动．故选B.[答案] B[规律方法]电磁阻尼的分析方法(1)运用楞次定律分析导体的受力情况．(2)运用力学知识和能量守恒定律分析导体的运动情况和能量转化情况．|对点训练|1.(多选)如图所示为电表中的指针和电磁阻尼器的结构，下列说法中正确的是()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：选AD这是涡流的典型应用之一．当指针摆动时，1随之转动，2是磁铁，那么在1中产生涡流，2对1的安培力将阻碍1的转动．不管1向哪个方向转动，2对1的效果总起到阻碍作用．所以它能使指针很快地稳定下来．2.如图所示，使一个铜盘绕其竖直的轴OO′转动，且各种摩擦等阻力不计．现把一个蹄形磁铁移近铜盘，则()A．铜盘转动将变慢B．铜盘转动将变快C．铜盘仍以原来的转速转动D．铜盘的转动速度是否变化，要根据磁铁的上下两端的极性来决定解析：选A当一个蹄形磁铁移近铜盘时，铜盘转动切割磁感线，产生感应电流，由楞次定律可知其感应电流受的安培力阻碍其相对运动，所以铜盘的转动将变慢．本题也可以从能量守恒的角度去分析，因为铜盘转动切割磁感线，产生感应电流，铜盘的机械能不断转化成电能，铜盘转动会逐渐变慢，故A正确．★要点三电磁驱动的应用|要点梳理|1．电磁驱动的形成原因如图，当蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量就发生变化，假如线圈处于如图所示的初始状态时，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，因而线圈在安培力作用下会跟着一起转动起来．楞次定律的一种理解是阻碍相对运动，从而阻碍磁通量的增加，磁铁转动时，相对于线圈转动，所以线圈也同方向转动，从而“阻碍”这种相对运动，电磁驱动也可以用楞次定律来解释．2．电磁阻尼与电磁驱动的比较|例题展示|【例3】如图所示，将一个铝框放在蹄形磁铁的两个磁极间，铝框可以绕竖直轴线OO′自由转动．转动磁铁，会发现静止的铝框也会发生转动．下列说法正确的是()A．铝框与磁极转动方向相反B．铝框始终与磁极转动的一样快C．铝框是因为磁铁吸引铝质材料而转动的D ．铝框是因为受到安培力而转动的[解析] 根据楞次定律可知，为阻碍磁通量增加，导致铝框与磁铁转动方向相同，但快慢不一，故A 、B 错误；由以上分析可知，铝框转动是因为由于电磁感应产生电流，而使铝框内受到安培力而转动，故C 错误，D 正确．[答案] D【例4】 如图所示，光滑弧形轨道和一足够长的光滑水平轨道相连，水平轨道上方有一足够长的金属杆，杆上挂有一光滑螺线管A .在弧形轨道上高为h 的地方，无初速释放一磁铁B (可视为质点)，B 下滑至水平轨道时恰好沿螺线管A 的中心轴运动，设A 、B 的质量分别为M 、m ，若最终A 、B 速度分别为v A 、v B .(1)螺线管A 将向哪个方向运动？(2)全过程中整个电路所消耗的电能．[解析] (1)磁铁B 向右运动时，螺线管中产生感应电流，感应电流产生电磁驱动作用，使得螺线管A 向右运动．(2)全过程中，磁铁减少的重力势能转化为A 、B 的动能和螺线管中的电能，所以mgh ＝12M v A 2＋12m v B 2＋E 电． 即E 电＝mgh －12M v A 2－12m v B 2. [答案] (1)向右 (2)mgh －12M v A 2－12m v B 2 [规 律 方 法]电磁驱动问题的分析方法(1)运用电磁感应定律分析产生电磁驱动的原因．(2)运用楞次定律分析产生电磁驱动的力的方向．(3)从受力角度和能量角度分析导体的运动情况．|对点训练|1．下列现象属电磁驱动的是()A．磁电式仪表线圈的骨架用铝框来做B．微安表的表头在运输时要把两接线框短接C．自制金属地雷探测器D．当图中B变大时，a、b在固定光滑导轨上滑动解析：选D磁电式仪表线圈的骨架用铝框制成，工作时指针带动铝框偏转，切割磁感线产生感应电流，感应电流受到安培力，阻碍线圈的转动，A选项错误；微安表的表头在运输时要把两接线框短接，由于电磁效应，线圈阻尼变得极大，运输时线圈不再容易摆动，可以防止指针打坏，B选项错误；金属探测器由振荡器和功率放大器等组成，不是电磁驱动，C选项错误；图中B变大，导体a、b中产生感应电流，感应电流受到安培力作用滑动，属于电磁驱动，D选项正确．2.(多选)位于光滑水平面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水平穿过，如图所示，在此过程中()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．小车先加速后减速解析：选BC本题为电磁驱动，可由楞次定律判断作用力的方向，再由牛顿第二定律判断运动情况．磁铁水平穿入螺线管时，管中将产生感应电流，由楞次定律的扩展含义知产生的相互作用力阻碍磁铁的运动．同理，磁铁穿出时，由楞次定律的扩展含义知产生的相互作用力阻碍磁铁的运动，故整个过程中，磁铁做减速运动，B正确；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的，这个安培力使小车向右运动，且一直做加速运动，C正确．[课堂小结]「基础达标练」1．(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解析：选BD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．2．桌面上放一铜片，如图所示，一条形磁铁的N极自上而下接近铜片的过程中，铜片对桌面的压力()A．增大B．减小C．不变D．无法判断是否变化解析：选A磁铁的N极接近铜片时，自上而下穿过铜片的磁通量增大，在铜片内会产生逆时针方向绕行的感应电流(如图所示)，使铜片上方呈现N极，阻碍磁铁接近．根据牛顿第三定律知，磁铁对铜片有同样大小的作用力，使铜片增加对桌面的压力．3．下列有关金属探测器工作原理叙述正确的是()A．金属探测器是利用电流的热效应原理工作的B．当金属探测器在探测到金属时，会在探测器内部产生涡流，致使蜂鸣器发出蜂鸣声C．金属探测器自身不产生迅速变化的磁场时，仍可以探测到金属物质而正常工作D．金属探测器在正常工作时，自身会产生迅速变化的磁场，从而使探测器附近的金属内部产生涡流，影响原来的磁场，引发报警解析：选D金属探测器利用的是电磁感应现象，故A、C错误；金属探测器探测金属时，被测金属中感应出涡流，故B错误；探测过程中工作时，当探测器靠近金属物体时，能在金属中形成涡流，进而引起线圈中电流的变化，产生涡流，影响原来的磁场，引发报警，故D正确．4．(多选)关于涡流，下列说法中正确是()A．真空冶炼炉是利用涡流来熔化金属的装置B．家用电磁炉是利用涡流来加热食物的C．阻尼摆摆动时产生的涡流总是阻碍其运动D．变压器的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成能增大涡流解析：选ABC高频冶炼炉是用涡流来熔化金属对其进行冶炼的，炉内放入被冶炼的金属，线圈内通入高频交变电流，这时被冶炼的金属中产生涡流就能被熔化，故A正确；电磁炉利用高频电流在电磁炉内部线圈中产生磁场，当含铁质锅具放置炉面时，铁磁性锅体被磁化，在锅具底部产生交变的涡流来加热食物，故B正确；阻尼摆摆动时产生的涡流总是阻碍其运动，当金属板从磁场中穿过时，金属板板内感应出的涡流会对金属板的运动产生阻碍作用，故C正确；在整块导体内部发生电磁感应而产生感应电流的现象称为涡流现象，要损耗能量，不用整块的硅钢铁芯，其目的是为了减小涡流，故D错误．5．(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()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解析：选AB由于磁针位于圆盘的正上方，所以穿过圆盘的磁通量始终为零，故C错误；如果将圆盘看成由沿半径方向的“辐条”组成，则圆盘在转动过程中，“辐条”会切割磁感线产生感应电动势，在圆盘中产生涡电流，该涡电流产生的磁场导致磁针运动，故A、B正确；同时圆盘中的自由电子随圆盘一起转动形成电流，该电流对磁针没有作用力，D错误．6.高频感应炉是用来熔化金属对其进行冶炼的，如图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冶炼金属中，因此适于冶炼特种金属．该炉的加热原理是()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：选C 高频感应炉的原理：给线圈通以高频交变电流后，线圈产生高频变化的磁场，磁场穿过金属，在金属内产生涡流，由于电流的热效应，可使金属熔化．故只有C 正确．7．如图所示，上下开口、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( )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 中的大解析：选C 小磁块从铜管P 中下落时，P 中的磁通量发生变化，产生感应电流，给小磁块一个向上的磁场力，阻碍小磁块向下运动，因此小磁块在P 中不是做自由落体运动，而塑料管Q 中不会产生电磁感应现象，因此Q 中小磁块做自由落体运动，A 错误；P 中磁场力对小磁块做负功，机械能不守恒，B 错误；由于在P 中小磁块下落的加速度小于g ，而Q 中小磁块做自由落体运动，因此从静止开始下落相同高度，在P 中下落的时间比在Q 中长，C 正确；根据动能定理可知，小磁块落到底部时在P 中的速度比在Q 中的小，D 错误．8．一个半径为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L 2处有一宽度为L 4、垂直纸面向里的匀强磁场区域，如图所示．现使圆环从与悬点O 等高位置A 处由静止释放(细绳张直，忽略空气阻力)，摆动过程中金属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，金属环产生的热量是 ( )A ．mgLB ．mg ⎝⎛⎭⎫L 2＋rC ．mg ⎝⎛⎭⎫34L ＋rD ．mg (L ＋2r )解析：选C 线圈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，最后线圈在磁场下面摆动，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，金属环减少的机械能为mg ⎝⎛⎭⎫34L ＋r ，C 正确．「能力提升练」1．一位物理老师用一段铜导线和一块磁铁演奏一曲《菊花台》的视频惊艳网友，网友直呼“史上最牛物理老师”．他是这么做的：在一块木板上固定两颗螺丝钉，用一段铜导线缠绕在两颗螺丝钉之间，扩音器通过导线与两螺丝钉连接．将磁铁放在铜导线旁边，手指拨动铜导线，另一只手握着螺丝刀压着铜导线，并在铜导线上滑动，优美动听的乐曲就呈现出来了．根据上面所给的信息，你认为下面说法正确的是( )A ．手指拨动铜导线，铜导线的振动引起空气振动而发出声音B ．手指拨动铜导线，使铜导线切割磁感线产生感应电流，电流通过扩音器放大后发声C ．声音的音调变化是通过手指拨动铜导线力的大小来实现的D ．手指拨动铜导线，铜导线中产生直流电流解析：选B 手指拨动铜导线发声是由于铜导线切割磁感线产生感应电流，电流通过扩音器放大后发声，选项A 错误，B 正确；螺丝刀压着铜导线在铜导线上滑动，实质是改变铜导线切割磁感线的有效长度，从而改变感应电流，变化的电流通过导线传到扩音器中，便产生不同音调的声音，所以声音的音调变化不是通过手指拨动铜导线产生的，选项C错误；手指拨动铜导线，铜导线振动切割磁感线，根据法拉第电磁感应定律，铜导线中的感应电流大小、方向均改变，选项D错误．2．电磁炉热效率高达90%，炉面无明火，无烟无废气，“火力”强劲，安全可靠．图示是描述电磁炉工作原理的示意图，下列说法正确的是()A．当恒定电流通过线圈时，会产生恒定磁场，恒定磁场越强，电磁炉加热效果越好B．电磁炉通电线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作C．在锅和电磁炉中间放一纸板，则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，主要原因是这些材料的导热性能较差解析：选B电磁炉线圈中通以交变电流，产生交变磁场，锅体中的涡流是由变化的磁场产生的，A选项错误，B选项正确；在锅和电磁炉中间放一纸板，不会影响电磁炉的加热作用，C选项错误；陶瓷锅或耐热玻璃锅属于绝缘材料，不会产生涡流，D选项错误．3．(2019·湖北模拟)随着科技的不断发展，无线充电已经进入人们的视线．小到手表、手机，大到电脑、电动汽车的充电，都已经实现了从理论研发到实际应用的转化．下图给出了某品牌的无线充电手机利用电磁感应方式无线充电的原理图．关于无线充电，下列说法正确的是()A．无线充电时手机接收线圈部分的工作原理是“电流的磁效应”B．只有将充电底座接到直流电源上才能对手机进行充电C．接收线圈中交变电流的频率与发射线圈中交变电流的频率相同D．只要有无线充电底座，所有手机都可以进行无线充电。