高中物理 4.10 涡流、电磁阻尼和电磁驱动学案 新人教版选修32.doc

涡流、电磁阻尼和电磁驱动目标定位1.了解涡流是怎样产生的及涡流现象的利用和危害.2.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.3.了解电磁阻尼和电磁驱动一、涡流1定义：用整块金属材料作铁芯绕制的线圈，当线圈中通有变化的电流时，变化的电流会产生变化的磁场，变化的磁场穿过铁芯，整个铁芯会自成回路，产生感应电流，这种电流看起来像水的旋涡，把这种电流叫做涡电流，简称涡流2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3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(1)途径一：增大铁芯材料的电阻率(2)途径二：用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯代替整块硅钢铁芯二、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，安培力的方向总是阻碍导体的运动2应用：磁电式仪表中利用电磁阻尼使指针迅速停止，便于读数三、电磁驱动1定义：磁场相对于导体转动时，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，使导体运动起来2应用：交流感应电动机一、对涡流的认识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，导体的横截面积s越大，导体材料的电阻率越小，形成的涡流就越大例1对变压器和电动机等中涡流的认识，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互相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解析变压器和电动机中产生的涡流会使温度升高消耗能量，同时会减少线圈绝缘的寿命，a、b正确；变压器和电动机的铁芯用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯是为了增加电阻，减小电流，减少产生的热量，c错误；涡流产生于铁芯中，对原电流无阻碍作用，d错误故选a、b.答案ab二、对电磁阻尼的理解1产生：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安培力的作用，根据楞次定律，安培力总是阻碍导体的运动，于是产生电磁阻尼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2应用举例：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，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原理制成的例2如图1所示，一狭长的铜片能绕o点在纸面内摆动，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1解析没有开长缝的铜片在磁场中摆动时，铜片内将产生较大的涡流，涡流在磁场中所受的安培力总是阻碍铜片的摆动，因此铜片很快就停止摆动如果在铜片上开几个长缝，就可以把涡流限制在缝与缝之间的各部分铜片上，较大地削弱了涡流，阻力随之减小，所以铜片可以摆动多次后才停止摆动答案见解析三、对电磁驱动的理解电磁驱动与电磁阻尼的区别与联系1电磁驱动中导体受安培力的方向与导体运动方向相同，推动导体运动；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2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，电能转化为导体的机械能而对外做功；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3电磁驱动与电磁阻尼中安培力的作用效果均为阻碍相对运动，应注意电磁驱动中导体的运动速度要小于磁场的运动速度例3如图2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2a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线圈将顺时针转动，转速比磁铁大d线圈将顺时针转动，转速比磁铁小解析当磁铁逆时针转动时，线圈中产生感应电流，根据楞次定律知，感应电流总是阻碍磁铁和线圈之间的相对运动，线圈将与磁极同向转动，但转动速度比磁铁小b项正确答案b涡流的应用1如图3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()图3a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答案ad解析交流电频率越高，则产生的感应电流越大，升温越快，工件电流相同，电阻越大，温度越高，放热越多对电磁阻尼的理解2.如图4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4a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3如图5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5a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，有时是动力答案c解析磁铁向下摆动时，根据楞次定律，线圈中产生逆时针方向的感应电流(从上面看)，并且磁铁受到感应电流对它的作用力为阻力，阻碍它靠近；磁铁向上摆动时，根据楞次定律，线圈中产生顺时针方向的感应电流(从上面看)，磁场受感应电流对它的作用力仍为阻力，阻碍它远离，所以磁铁在左右摆动一次过程中，电流方向改变3次，感应电流对它的作用力始终是阻力，只有c项正确对电磁驱动的理解4.如图6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()图6a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两环都静止答案c解析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，感应电流的效果使环2向右运动.(时间：60分钟)题组一涡流的应用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解析涡流本质上是感应电流，是自身构成回路，在穿过导体的磁通量变化时产生的，所以a对，b错；涡流不仅有热效应，同其他电流一样也有磁效应，c错；硅钢电阻率大，产生的涡流较小，但仍能产生涡流，d错2.如图1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是()图1a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、玻璃杯答案c解析通入恒定电流时，所产生的磁场不变，不会产生感应电流通入变化的电流时，所产生的磁场发生变化，在空间产生感生电场，铁锅是导体，感生电场在导体内产生涡流，电能转化为内能，使水温升高涡流是由变化的磁场在导体内产生的，所以玻璃杯中的水不会升温，故c正确3.如图2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2a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ad4高频感应炉是用来熔化金属对其进行冶炼的如图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治炼的金属中，因此适用于冶炼特种金属那么该炉的加热原理是()图3a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答案c5如图4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，以下说法中正确的是()图4a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错误题组二对电磁阻尼的理解6.如图5所示，在o点正下方有一个具有理想边界的磁场，铜环在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()图5aa、b两点在同一水平线上ba点高于b点ca点低于b点d铜环最终将做等幅摆动答案bd解析铜环在进入和穿出磁场的过程中，穿过环的磁通量发生变化，环中有感应电流产生，将损耗一定的机械能，所以a点高于b点铜环的摆角会越来越小，最终出不了磁场，而做等幅摆动7如图6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6a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答案a解析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，由楞次定律可知感应电流受到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，故正确选项为a.8如图7所示，在光滑水平桌面上放一条形磁铁，分别将大小相同的铁球、铝球和木球放在磁铁的一端且给它们一个相同的初速度，让其向磁铁滚去，观察小球的运动情况是()图7a都做匀速运动b甲、乙做加速运动c甲做加速运动，乙做减速运动，丙做匀速运动d甲做减速运动，乙做加速运动，丙做匀速运动答案c解析铁球将加速运动，其原因是铁球被磁化后与磁铁之间产生相互吸引的磁力铝球将减速运动，其原因是铝球内产生了感应电流，感应电流的磁场阻碍相对运动木球将匀速运动，其原因是木球既不能被磁化，也不能产生感应电流，所以磁铁对木球不产生力的作用9.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靠近磁铁，如图8所示，观察磁铁的振幅将会发现()图8as闭合时振幅逐渐减小，s断开时振幅不变bs闭合时振幅逐渐增大，s断开时振幅不变cs闭合或断开，振幅变化相同ds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，线圈中无感应电流，振幅不变；s闭合时有感应电流，有电能产生，磁铁的机械能越来越少，振幅逐渐减少，a正确10如图9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9aa管是用塑料制成的，b管是用铜制成的ba管是用铝制成的，b管是用胶木制成的ca管是用胶木制成的，b管是用塑料制成的da管用胶木制成的，b管是用铝制成的答案ad题组三对电磁驱动的理解11.如图10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10a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b解析因磁铁的转动，引起铜盘中磁通量发生变化而产生感应电流，进而受安培力作用而发生转动，由楞次定律可知安培力的作用是阻碍相对运动，所以铜盘与磁铁同向转动，又由产生电磁感应的条件可知，线圈中能产生电流的条件必须是磁通量发生变化故铜盘转动方向与磁铁相同而转速小，所以正确选