7 渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動 第四章 電磁感應 學習目標 1.知道渦流的產(chǎn)生原因及渦流的防止和應用. 2.知道電磁阻尼和電磁驅(qū)動的原理和應用. 內(nèi)容索引 自主預習 預習新知 夯實基礎(chǔ) 重點探究 啟迪思維 探究重點 達標檢測 檢測評價 達標過關(guān) 自主預習 一一、渦流渦流 1.渦流：當線圈中的電流隨時間變化時，線圈附近的任何導體中都會產(chǎn)生 ，電流在導體中組成閉合回路，很像 ，所以把它叫做渦電流，簡稱渦流. 2.渦流大小的決定因素：磁場變化越 ( 越 )， 導體的橫截面積S越 ，導體材料的電阻率越 ，形成的渦流就越大. 二二、電磁阻尼電磁阻尼 當導體在 運動時，導體中產(chǎn)生的感應電流會使導體受到安培力，安培力的方向總是 導體的運動，這種現(xiàn)象稱為電磁阻尼. 感應電流 水中的旋渦 快 大 大 小 磁場中 阻礙 Bt 三三、電磁驅(qū)動電磁驅(qū)動 若磁場相對導體運動，在導體中會產(chǎn)生感應電流，感應電流使導體受到 的作用， 使導體運動起來，這種作用常常稱為電磁驅(qū)動. 安培力 安培力 即學即用即學即用 1.判斷下列說法的正誤. (1)導體中有渦流時，導體沒有和其他元件組成閉合回路，故導體不會發(fā)熱.( ) (2)電磁阻尼和電磁驅(qū)動均遵循楞次定律.( ) (3)電磁阻尼發(fā)生的過程，存在機械能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化.( ) (4)電磁驅(qū)動中有感應電流產(chǎn)生，電磁阻尼中沒有感應電流產(chǎn)生.( ) 答案 2.光滑曲面與豎直平面的交線是拋物線，如圖1所示，拋物線的方程為yx2，其下半部處在一個水平方向的勻強磁場中，磁場的上邊界是ya的直線(如圖中的虛線所示).一個質(zhì)量為m的小金屬塊從拋物線上yb(ba)處以速度v沿拋物線下滑，假設(shè)曲面足夠長，重力加速度為g，則金屬塊 在曲面上滑動的過程中產(chǎn)生的焦耳熱總量為_. 圖1 答案 mg(ba)12mv2 重點探究 導學探究導學探究 如圖2所示，線圈中的電流隨時間變化時，導體中有感應電流嗎？如果有，它的形狀像什么？ 一、渦流 答案 圖2 答案答案 有.變化的電流產(chǎn)生變化的磁場，變化的磁場產(chǎn)生感生電場，使導體中的自由電子發(fā)生定向移動，產(chǎn)生感應電流，它的形狀像水中的旋渦，所以把它叫做渦電流，簡稱渦流. 知識深化知識深化 1.產(chǎn)生渦流的兩種情況產(chǎn)生渦流的兩種情況 (1)塊狀金屬放在變化的磁場中. (2)塊狀金屬進出磁場或在非勻強磁場中運動. 2.產(chǎn)生渦流時的能量轉(zhuǎn)化產(chǎn)生渦流時的能量轉(zhuǎn)化 (1)金屬塊在變化的磁場中，磁場能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能. (2)金屬塊進出磁場或在非勻強磁場中運動，由于克服安培力做功，金屬塊的機械能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能. 3.渦流的應用與防止渦流的應用與防止 (1)應用：真空冶煉爐、探雷器、安檢門等. (2)防止：為了減小電動機、變壓器鐵芯上的渦流，常用電阻率較大的硅鋼做材料，而且用相互絕緣的硅鋼片疊成鐵芯來代替整塊硅鋼鐵芯. 例例1 (多選)“電磁感應鋁箔封口機”被廣泛應用在醫(yī)藥、食品、化工等生產(chǎn)行業(yè)的產(chǎn)品封口環(huán)節(jié)中，如圖3所示為一手持式封口機，它的工作原理是：當接通電源時，內(nèi)臵線圈產(chǎn)生磁場，當磁感線穿過封口鋁箔材料時，瞬間產(chǎn)生大量小渦流，致使鋁箔自行快速發(fā)熱，熔化復合在鋁箔上的溶膠，從而粘貼在承封容器的封口處，達到迅速封口的目的.下列有關(guān)說法正確的是 A.封口材料可用普通塑料來代替鋁箔 B.該封口機可用干電池作為電源以方便攜帶 C.封口過程中溫度過高，可適當減小所通電流的頻率來解決 D.該封口機適用于玻璃、 塑料等多種材質(zhì)的容器封口，但不適用于金屬容器 圖3 答案 解析 例例2 (多選)如圖4所示，閉合金屬環(huán)從光滑曲面上h高處滾下，又沿曲面的另一側(cè)上升，設(shè)環(huán)的初速度為零，摩擦不計，曲面處在圖中磁場中，則 A.若是勻強磁場，環(huán)上升的高度小于h B.若是勻強磁場，環(huán)上升的高度等于h C.若是非勻強磁場，環(huán)上升的高度等于h D.若是非勻強磁場，環(huán)上升的高度小于h 圖4 答案 解析 解析解析 若磁場為勻強磁場，穿過環(huán)的磁通量不變，不產(chǎn)生感應電流，即無機械能向電能轉(zhuǎn)化，機械能守恒，故A錯誤，B正確； 若磁場為非勻強磁場，環(huán)內(nèi)要產(chǎn)生電能，機械能減少，故C錯誤，D正確. 導學探究導學探究 彈簧上端固定，下端懸掛一個磁鐵.將磁鐵托起到某一高度后放開，磁鐵能上下振動較長時間才停下來.如果在磁鐵下端放一個固定的閉合線圈，使磁鐵上下振動時穿過它(如圖5所示)，磁鐵就會很快停下來，解釋這個現(xiàn)象. 二、電磁阻尼 圖5 答案答案 當磁鐵穿過固定的閉合線圈時，在閉合線圈中會產(chǎn)生感應電流，感應電流的磁場會阻礙磁鐵靠近或離開線圈，也就使磁鐵振動時除了受空氣阻力外，還要受到線圈的磁場阻力，克服阻力需要做的功較多，機械能損失較快，因而會很快停下來. 答案 知識深化知識深化 1.閉合回路的部分導體在做切割磁感線運動產(chǎn)生感應電流時，導體在磁場中就要受到磁場力的作用，根據(jù)楞次定律，磁場力總是阻礙導體的運動，于是產(chǎn)生電磁阻尼現(xiàn)象. 2.電磁阻尼是一種十分普遍的物理現(xiàn)象，任何在磁場中運動的導體，只要給感應電流提供回路，就會存在電磁阻尼作用. 例例3 如圖6所示，上端開口、內(nèi)壁光滑的銅管P和塑料管Q豎直放臵.小磁塊先后在兩管中從相同高度處由靜止釋放，并落至底部，則小磁塊(不計空氣阻力) A.在P和Q中都做自由落體運動 B.在兩個下落過程中的機械能都守恒 C.在P中的下落時間比在Q中的長 D.落至底部時在P中的速度比在Q中的大 圖6 答案 解析 導學探究導學探究 一個閉合線圈放在蹄形磁鐵的兩磁極之間，如圖7所示，蹄形磁鐵和閉合線圈都可以繞軸轉(zhuǎn)動.當蹄形磁鐵順時針轉(zhuǎn)動時線圈也順時針轉(zhuǎn)動；蹄形磁鐵逆時針轉(zhuǎn)動時線圈也逆時針轉(zhuǎn)動. (1)蹄形磁鐵轉(zhuǎn)動時，穿過線圈的磁通量是否變化？ 三、電磁驅(qū)動 圖7 答案答案 變化. 答案 (2)線圈轉(zhuǎn)動起來的動力是什么力？線圈的轉(zhuǎn)動速度與磁鐵的轉(zhuǎn)動速度什么關(guān)系？ 答案答案 線圈內(nèi)產(chǎn)生感應電流受到安培力的作用，安培力作為動力使線圈轉(zhuǎn)動起來.線圈的轉(zhuǎn)動速度小于磁鐵的轉(zhuǎn)動速度. 答案 知識深化知識深化 電磁阻尼與電磁驅(qū)動的比較電磁阻尼與電磁驅(qū)動的比較 1.電磁阻尼中安培力的方向與導體運動方向相反，阻礙導體運動；電磁驅(qū)動中導體所受安培力的方向與導體運動方向相同，推動導體運動. 2.電磁阻尼中克服安培力做功，其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；電磁驅(qū)動中由于電磁感應，磁場能轉(zhuǎn)化為電能，通過安培力做功，部分電能轉(zhuǎn)化為導體的機械能而對外做功. 例例4 如圖8所示，蹄形磁鐵和矩形線圈均可繞豎直軸OO轉(zhuǎn)動.從上向下看，當磁鐵逆時針轉(zhuǎn)動時，則 A.線圈將逆時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速與磁鐵相同 B.線圈將逆時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速比磁鐵小 C.線圈將逆時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速比磁鐵大 D.線圈靜止不動 圖8 答案 解析 解析解析 由楞次定律可知，線圈將與磁鐵同向轉(zhuǎn)動，但轉(zhuǎn)速一定小于磁鐵的轉(zhuǎn)速.如兩者的轉(zhuǎn)速相同，磁感線與線圈處于相對靜止狀態(tài)，線圈不切割磁感線，無感應電流產(chǎn)生，B正確，A、C、D項錯誤. 1.由楞次定律的推廣含義知，線圈的運動可以阻礙兩者間的相對運動，所以其角速度必小于磁鐵轉(zhuǎn)動的角速度. 2.電磁驅(qū)動和電磁阻尼的聯(lián)系：電磁驅(qū)動和電磁阻尼現(xiàn)象中安培力的作用效果均為阻礙導體間的相對運動. 總結(jié)提升總結(jié)提升 達標檢測 1.(渦流的應用與防止渦流的應用與防止)(多選)變壓器的鐵芯是利用薄硅鋼片疊壓而成，而不采用一塊整硅鋼，這是為了 A.增大渦流，提高變壓器的效率 B.減小渦流，提高變壓器的效率 C.增大渦流，減小鐵芯的發(fā)熱量 D.減小渦流，減小鐵芯的發(fā)熱量 答案 解析 解析解析 采用薄硅鋼片疊壓在一起，目的是減小渦流，減小鐵芯的發(fā)熱量，進而提高變壓器的效率，故選項B、D正確. 1 2 3 4 2.(渦流的應用與防止渦流的應用與防止)(多選)如圖9所示是用渦流金屬探測器探測地下金屬物的示意圖，下列說法中正確的是 A.探測器內(nèi)的探測線圈會產(chǎn)生交變磁場 B.只有有磁性的金屬物才會被探測器探測到 C.探測到地下的金屬物是因為探頭中產(chǎn)生了渦流 D.探測到地下的金屬物是因為金屬物中產(chǎn)生了渦流 答案 圖9 1 2 3 4 解析解析 線圈通電后在安培力作用下轉(zhuǎn)動，鋁框隨之轉(zhuǎn)動，在鋁框內(nèi)產(chǎn)生渦流.渦流將阻礙線圈的轉(zhuǎn)動，使線圈偏轉(zhuǎn)后盡快停下來，這樣做是利用渦流來起電磁阻尼的作用，故B、C正確. 3.(對電磁阻尼的理解對電磁阻尼的理解)(多選)如圖10所示，磁電式儀表的線圈通常是用鋁框做骨架，把線圈繞在鋁框上，這樣做的目的是 A.防止渦流而設(shè)計的 B.利用渦流而設(shè)計的 C.起電磁阻尼的作用 D.起電磁驅(qū)動的作用 答案 圖10 解析 1 2 3 4 4.(對電磁驅(qū)動的理解對電磁驅(qū)動的理解)(多選)1824年，法國科學家阿拉果完成了著名的“圓盤實驗”.實驗中將一銅圓盤水平放臵，在其中心正上方用柔軟細線懸掛一枚可以自由旋轉(zhuǎn)的磁針，如圖11所示.實驗中發(fā)現(xiàn)，當圓盤在磁針的磁場中繞過圓盤中心的豎直軸旋轉(zhuǎn)時，磁針也隨著一起轉(zhuǎn)動起來，但略有滯后.下列說法正確的是 A.圓盤上產(chǎn)生了感應電動勢 B.圓盤內(nèi)的渦電流產(chǎn)生的磁場導致磁針轉(zhuǎn)動 C.在圓盤轉(zhuǎn)動的過程中，磁針的磁場穿過整 個圓盤的磁通量發(fā)生了變化 D.圓盤中的自由電子隨圓盤一起運動形成電 流，此電流產(chǎn)生的磁場導致磁針轉(zhuǎn)動 答案 圖11 1 2 3 4