2019-2020学年高中物理第四章电磁感应第7节涡流电磁阻尼和电磁驱动讲义含解析新人教版选修3_.doc

第7节涡流、电磁阻尼和电磁驱动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。

一、涡流1．定义由于电磁感应，在导体中产生的像水中旋涡样的感应电流。

2．特点若金属的电阻率小，涡流往往很强，产生的热量很多。

3．应用(1)涡流热效应：如真空冶炼炉、电磁炉。

(2)涡流磁效应：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个硅钢铁芯。

二、电磁阻尼和电磁驱动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到某位置，便于读数。

2．电磁驱动(1)概念：磁场相对导体转动时，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。

1．自主思考——判一判(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)利用涡流制成的探雷器可以探出“石雷”。

(×)(4)电磁阻尼和电磁驱动均遵循楞次定律。

(√)(5)电磁阻尼发生的过程中，存在机械能向内能的转化。

(√)(6)电磁驱动时，被驱动的导体中有感应电流。

(√)2．合作探究——议一议(1)块状金属在匀强磁场中运动时，能否产生涡流？提示：不能。

块状金属在匀强磁场中运动时，穿过金属块的磁通量不变，所以金属块中不产生涡流。

(2)利用涡流加热时，为什么使用高频交流电源？提示：涡流就是感应电流，使用高频交流电源，能产生高频变化的磁场，磁场中导体内的磁通量的变化更迅速，产生的感应电流更大，加热效果更好。

(3)电磁灶的原理是什么？提示：电磁灶是利用涡流原理制成的。

它利用交变电流通过线圈产生交变磁场，从而在铁质锅的底部产生无数强大的小涡流，使锅体迅速发热，然后加热锅内的食物。

1．涡流的本质：电磁感应现象。

2．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。

3．产生涡流时的能量转化：伴随着涡流现象，其他形式的能转化成电能最终在金属块中转化为内能。

(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。

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.12mv 2 C ．mg (b －a ) D ．mg (b －a )＋12mv 2 解析：选D 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 ＋12mv 2 末状态机械能E 2＝mga焦耳热Q ＝E 1－E 2＝mg (b －a )＋12mv 2。

2.[多选]高频焊接原理示意图如图所示，线圈通以高频交流电，金属工件的焊缝中就产生大量焦耳热，将焊缝熔化焊接，下列情况中能使焊接处消耗的电功率增大的是( )A ．增大交变电流的电压，其他条件不变B ．增大交变电流的频率，其他条件不变C ．感应电流相同条件下，增大焊接缝的接触电阻D ．感应电流相同条件下，减小焊接缝的接触电阻解析：选ABC 增大交变电流的电压，其他条件不变，则线圈中交变电流增大，磁通量变化率增大，因此产生的感应电动势增大，感应电流也增大，那么焊接处消耗的电功率增大，故A 正确；高频焊接利用高频交变电流产生高频交变磁场，在焊接的金属工件中产生感应电流，根据法拉第电磁感应定律分析可知，电流变化的频率越高，磁通量变化频率越高，产生的感应电动势越大，感应电流越大，焊缝处消耗的电功率越大，故B 正确；感应电流相同条件下，增大焊接缝的接触电阻，焊缝处消耗的电功率增大，故C 正确，D 错误。

3.如图为安检门原理图，左边门框中有一通电线圈，右边门框中有一接收线圈。

工作过程中某段时间通电线圈中存在(由左向右看)顺时针方向均匀减小的电流，则( )A ．无金属片通过时，接收线圈中的感应电流方向为逆时针B ．无金属片通过时，接收线圈中的感应电流增大C ．有金属片通过时，接收线圈中的感应电流方向为逆时针D ．有金属片通过时，接收线圈中的感应电流大小发生变化解析：选D 左侧门框中某段时间通电线圈中存在(由左向右看)顺时针方向均匀减小的电流，无金属片通过时，右侧接收线圈中磁通量减小，根据楞次定律，右侧线圈中产生的感应电流方向为顺时针，大小恒定，选项A 、B 错误。

有金属片通过时，金属片中产生涡流，使右侧接收线圈中的感应电流大小发生变化，方向仍为顺时针，故选项C 错误，D 正确。

[典例] [多选]位于光滑水平面的小车上水平固定一螺线管，一个比螺线管长的条形磁铁沿着螺线管的轴线以初速度v 0穿入螺线管，并最终穿出， 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[审题指导](1)“光滑水平面”说明小车运动中不受摩擦力作用。

(2)磁铁穿过螺线管说明磁铁相对螺线管运动，属于电磁驱动现象。

[解析] 磁铁水平穿入螺线管时，螺线管中将产生感应电流，由楞次定律可知产生的感应电流将阻碍磁铁的运动；同理，磁铁穿出时，由楞次定律可知产生的感应电流将阻碍磁铁的运动，故整个过程中，磁铁做减速运动，选项A错误，B正确。

对于小车上的螺线管来说，螺线管受到的安培力方向始终为水平向右，这个安培力使螺线管和小车向右运动，且一直做加速运动，选项C正确，D错误。

[答案] BC电磁阻尼和电磁驱动中阻碍的结果，都是减小导体与磁场的相对速度，但要注意区分二者的用途。

1.如图所示，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( )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，转速比磁铁大C．线圈转动时将产生感应电流D．线圈转动时感应电流的方向始终是abcda解析：选C 当磁铁逆时针转动时，相当于磁铁不动而线圈顺时针旋转切割磁感线，线圈中产生感应电流，故C对；当线圈相对磁铁转过90°时电流方向不再是abcda，D错；由楞次定律的推广含义可知，线圈将与磁极同向转动，但转动的角速度一定小于磁铁转动的角速度。

如两者的角速度相同，磁感线与线圈处于相对静止，线圈不切割磁感线，无感应电流产生，故A、B错。

2.(2017·全国卷Ⅰ)扫描隧道显微镜(STM)可用来探测样品表面原子尺度上的形貌。

为了有效隔离外界振动对STM的扰动，在圆底盘周边沿其径向对称地安装若干对紫铜薄板，并施加磁场来快速衰减其微小振动，如图所示。

无扰动时，按下列四种方案对紫铜薄板施加恒磁场；出现扰动后，对于紫铜薄板上下及左右振动的衰减最有效的方案是( )解析：选A 施加磁场来快速衰减STM的微小振动，其原理是电磁阻尼，在振动时通过紫铜薄板的磁通量变化，紫铜薄板中产生感应电动势和感应电流，则其受到安培力作用，该作用阻碍紫铜薄板振动，即促使其振动衰减。

方案A中，无论紫铜薄板上下振动还是左右振动，通过它的磁通量都发生变化；方案B中，当紫铜薄板上下振动时，通过它的磁通量可能不变，当紫铜薄板向右振动时，通过它的磁通量不变；方案C中，紫铜薄板上下振动、左右振动时，通过它的磁通量可能不变；方案D中，当紫铜薄板上下振动时，紫铜薄板中磁通量可能不变。

综上可知，对于紫铜薄板上下及左右振动的衰减最有效的方案是A。

3.如图所示，弹簧上端固定，下端挂一只条形磁铁，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，如图所示，观察磁铁的振幅将会发现( )A．S闭合时振幅逐渐减小，S断开时振幅不变B．S闭合时振幅逐渐增大，S断开时振幅不变C．S闭合或断开，振幅变化相同D．S闭合或断开，振幅都不发生变化解析：选A 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闭合时线圈中有感应电流，磁铁的机械能越来越少，振幅逐渐减小，选项A正确。

1．下列做法中可能产生涡流的是( )A．把金属块放在匀强磁场中B．让金属块在匀强磁场中做匀速运动C．让金属块在匀强磁场中做变速运动D．把金属块放在变化的磁场中解析：选D 涡流就是整个金属块中产生的感应电流，所以产生涡流的条件就是在金属块中产生感应电流的条件，即穿过金属块的磁通量发生变化。

而A、B、C中磁通量不变化，所以A、B、C错误，把金属块放在变化的磁场中时，穿过金属块的磁通量发生了变化，有涡流产生，所以D正确。

2．[多选]变压器的铁芯是利用薄硅钢片叠压而成，而不采用一整块硅钢，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，减小铁芯的发热量解析：选BD 涡流的主要效应之一就是发热，而变压器的铁芯发热，是我们不希望出现的。

所以不采用整块硅钢，而采用薄硅钢片叠压在一起，目的就是减小涡流，从而减小铁芯的发热量，进而提高变压器的效率。

故B、D正确。

3．金属探测器已经广泛应用于安检场所，下列关于金属探测器的说法正确的是( ) A．金属探测器可用于食品生产，防止细小的砂石颗粒混入食品中B．金属探测器探测地雷时，探测器的线圈中产生涡流C．金属探测器探测金属时，被测金属中感应出涡流D．探测过程中金属探测器与被测物体相对静止与相对运动的探测效果相同解析：选C 金属探测器只能探测金属，不能用于食品生产，防止细小的砂石颗粒混入食品中，故A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，C正确；探测过程中金属探测器应与被测物体相对运动，相对静止时无法得出探测效果，故D错误。

4.如图所示，矩形线圈放置在水平薄木板上，有两块相同的蹄形磁铁，四个磁极之间的距离相等，当两块磁铁匀速向右通过线圈时，线圈仍静止不动，那么线圈受到木板的摩擦力方向是( )A．先向左，后向右B．先向左，后向右，再向左C．一直向右D．一直向左解析：选D 当两块磁铁匀速向右通过线圈时，线圈内产生感应电流，线圈受到的安培力阻碍线圈相对磁铁的运动，故线圈有相对木板向右运动的趋势，受到的静摩擦力的方向总是向左，选项D正确，A、B、C错误。