学案：4.7_涡流、电磁阻尼和电磁驱动

4.7 涡流、电磁阻尼和电磁驱动学案1．当线圈中的电流随时间变化时，由于电磁感应，在附近导体中产生像水中旋涡样的感应电流，把这种感应电流叫涡流．利用涡流的热效应可进行真空冶炼，利用它的磁效应可进行金属探测．2．当导体在磁场中运动时，在导体中会产生感应电流，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，这种现象称为电磁阻尼；当磁场相对导体转动时，在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而运动起来，这种现象称为电磁驱动．3．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4．磁电式仪表的线圈通常用铝框当骨架，把线圈绕在铝框上，这样做的目的是() A．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5．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．两环都静止知识点一涡流及其应用【例1】如图2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() A．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、玻璃杯解析：通入恒定直流时，所产生的磁场不变，不会产生感应电流，通入变化的电流，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．点评：涡流是在导体内产生的，而且穿过回路的磁通量必须是变化的。

【例2】．机场的安检门可以利用涡流探测人身上携带的金属物品，安检门中接有线圈，线圈中通以交变电流，关于其工作原理，以下说法正确的是()A．人身上携带的金属物品会被地磁场磁化，在线圈中产生感应电流B．人体在线圈交变电流产生的磁场中运动，产生感应电动势并在金属物品中产生感应电流C．线圈产生的交变磁场会在金属物品中产生交变的感应电流D．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解析一般金属物品不一定能被磁化，且地磁场很弱，即使金属被磁化磁性也很弱，作为导体的人体电阻很大，且一般不会与金属物品构成回路，故A、B错误；安检门利用涡流探测金属物品的工作原理是：线圈中交变电流产生交变磁场，使金属物品中产生涡流，故C正确；该涡流产生的磁场又会在线圈中产生感应电流，而线圈中交变电流的变化可以被检测，故D 项正确．点评：金属探测利用了涡流的磁效应．知识点二电磁阻尼【例3】．有一个铜盘，轻轻拨动它，能长时间地绕轴自由转动．如果在转动时把蹄形磁铁的两极放在铜盘边缘，但并不与铜盘接触，如图3所示，铜盘就能在较短时间内停止转动，分析这个现象产生的原因．解析：铜盘转动时如果加上磁场，则在铜盘中产生涡流，磁场对这个涡流的作用力阻碍它的转动，故在较短的时间内铜盘停止转动．点评：当导体在磁场中运动时，导体中的感应电流受到安培力的作用阻碍导体运动，即安培力为电磁阻尼的阻力．【例4】. 如图4所示，是称为阻尼摆的示意图，在轻质杆上固定一金属薄片，轻质杆可绕上端O点为轴在竖直面内转动，一有界磁场垂直于金属薄片所在的平面．使摆从图中实线位置释放，摆很快就会停止摆动；若将摆改成梳齿状，还是从同一位置释放，摆会摆动较长的时间．试定性分析其原因．解析第一种情况下，阻尼摆进入有界磁场后，在金属薄片中会形成涡流，涡流使金属薄片受安培力的作用，阻碍其相对运动，所以会很快停下来；第二种情况下，将金属摆改成梳齿状，阻断了涡流形成的回路，从而减弱了涡流，受到安培力的阻碍会比先前小得多，所以会摆动较长的时间．点评防止电磁阻尼的途径为阻止或减弱涡流的产生．知识点三电磁驱动【例5】.．如图5所示，让一金属圆盘接近磁铁的两极，但不接触，使磁铁转动，圆盘也会跟着转动，这种现象称为“电磁驱动”，请你说明电磁驱动的原理．解析：当蹄形磁铁转动时，圆盘上不同位置的磁通量发生变化，因而圆盘中会有涡流形成，该涡流的磁场阻碍磁通量的变化，使圆盘随着磁铁一起转动，但圆盘转动速度比磁铁慢．点评电磁驱动的驱动力是涡流受到的安培力．【例6】．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以初速度v水平穿过，如图6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，由楞次定律的扩展知产生的相互作用力阻碍磁铁的运动．同理，磁铁穿出时产生的相互作用力也阻碍磁铁的运动，故整个过程中，磁铁做减速运动，选项B是正确的．而对于小车上螺线管来说，在此过程中，螺线管受到的安培力都是水平向右，这个安培力使小车向右运动，且一直做加速运动，C项对．点评发生电磁驱动现象时，磁场相对导体运动，在导体中产生感应电流，感应电流受到安培力作用而使导体运动起来．涡流能量问题的处理技巧【例7】．弹簧上端固定，下端悬挂一根磁铁．将磁铁托起到某一高度后放开，磁铁能上下振动较长时间才停下来．如图7所示，如果在磁铁下端放个固定的闭合线圈，使磁铁上下振动时穿过它，磁铁就会很快地停下来，解释这个现象，并说明此现象中能量转化的情况．解析：当磁铁穿过固定的闭合线圈时，在闭合线圈中产生感应电流，感应电流的磁场会阻碍磁铁向线圈靠近或离开，也就使磁铁振动时除了空气阻力外，还有线圈的磁场力作为阻力，克服阻力需要做的功较多，弹簧振子的机械能损失较快，因而会很快停下来．损失的机械能主要转化为电能再转化为内能．方法总结此题中涡流损耗了机械能．【典型例题课堂分析】一、涡流的利用【例1】如图4－7－3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，而工件其它部分发热很少，以下说法正确的是()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二、电磁驱动【例2】如图4－7－4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，线圈的运动情况是( ) 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．线圈静止不动三、电磁阻尼的应用【例3】如图所示，abcd是一闭合的小金属线框，用一根绝缘的细杆挂在固定点O，使金属线框在竖直平面内来回摆动的过程穿过水平方向的匀强磁场区域，磁感线方向跟线框平面垂直，若悬点摩擦和空气阻力不计，则( )A.线框进入或离开磁场区域时，都产生感应电流，而且电流的方向相反B.线框进入磁场区域后，越靠近OO′线时速度越大，因而产生的感应电流也越大C.线框开始摆动后，摆角会越来越小，摆角小到某一值后将不再减小D.线框摆动过程中，机械能完全转化为线框电路中的电能四、电磁感应问题的综合应用【例4】如图2所示，一直导体棒质量为m、长为l、电阻为r，其两端放在位于水平面内间距也为l的光滑平行导轨上，并与之密接；棒左侧两导轨之间连接一可控制的负载电阻(图中未画出)；导轨置于匀强磁场中，磁场的磁感应强度大小为B，方向垂直于导轨所在平面．开始时，给导体棒一个平行于导轨的初速度v0.在棒的运动速度由v0减小至v1的过程中，通过控制负载电阻的阻值使棒中的电流强度I保持恒定．导体棒一直在磁场中运动．若不计导轨电阻，求此过程中导体棒上感应电动势的平均值和负载电阻上消耗的平均功率．【课后练习】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2．如图4－7－5所示，在O点正下方有一个具有理想边界的方形磁场，铜球在A点由静止释放，向右摆到最高点B，不考虑空气及摩擦阻力，则下列说法正确的是()A．A、B两点在同一水平面上B．A点高于B点C．A点低于B点D．铜球将做等幅摆动3．如图4－7－6所示，在光滑绝缘水平面上，有一铝质圆形金属球以一定的初速度通过有界匀强磁场，则从球开始进入磁场到完全穿出磁场过程中(磁场宽度大于金属球的直径)，则小球()A．整个过程匀速运动B．进入磁场过程中球做减速运动，穿出过程做加速运动C．整个过程都做匀减速运动D．穿出时的速度一定小于初速度4.下列现象属电磁阻尼的是________，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．交流感应电动机E．当图4－7－7中B变大时，a、b在固定光滑导轨上滑动5.变压器的铁芯是利用薄硅钢片叠压而成的，而不是采用一整块硅钢，这是因为()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．增大铁芯中的电阻，以产生更多的热量D．增大铁芯中的电阻，以减小发热量8．如图5所示是电表中的指针和电磁阻尼器，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10．高频感应炉是用来熔化金属对其进行冶炼的，如图7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，这时被治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12．如图10所示，两金属杆ab和cd长均为l，电阻均为R，质量分别为M和m，M>m.用两根质量和电阻均可忽略的不可伸长的柔软导线将它们连成闭合回路，并悬挂在水平、光滑、不导电的圆棒两侧，两金属杆都处在水平位置．如图所示，整个装置处在一与回路平面相垂直的匀强磁场中，磁感应强度为B，若金属杆ab正好匀速向下运动，求其运动的速度．答案：例1. 解析 交流电频率越高，则产生的感应电流越强，升温越快，工件电流相同，即电阻大，温度高，放热多．答案 AD例2. 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，即感应电流的方向必定是使其受到的力矩的方向与磁铁转动方向相同，以减小磁通量的增加，因而线圈跟着转起来，但转速小于磁铁的转速．答案 C例3. AC例4. 答案 12Bl (v 0＋v 1) 12Bl (v 0＋v 1)I －I 2r 解析 导体棒所受的安培力为F ＝IlB ①该力大小不变，棒做匀减速运动，因此在棒的速度从v 0减小到v 1的过程中，平均速度为v ＝12(v 0＋v 1)② 当棒的速度为v 时，感应电动势的大小为E ＝l v B ③棒中的平均感应电动势为E ＝l v B ④由②④式得E ＝12l (v 0＋v 1)B ⑤ 导体棒中消耗的热功率为P 1＝I 2r ⑥负载电阻上消耗的平均功率为P 2＝E I －P 1⑦由⑤⑥⑦式得P 2＝12l (v 0＋v 1)BI －I 2r ⑧课后练习：1. 答案 A解析 涡流就是一种感应电流，同样是由于磁通量的变化产生的．2. 答案 B解析 铜球在进入和穿出磁场的过程中，穿过金属球的磁通量发生变化，球中产生涡流，进而产生焦耳热，因此球的机械能减少，故A 点高于B 点．3. 答案 D解析 小球进出磁场时，有涡流产生，要受到阻力，故穿出时的速度一定小于初速度4. 答案 AB DE解析 电磁阻尼是指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；而电磁驱动是磁场相对导体运动，在导体中会产生感应电流，感应电流使导体受到安培力作用，安培力使导体运动而不是阻碍导体运动．5. 答案 BD解析 不使用整块硅钢而是采用很薄的硅钢片，这样做的目的是增大铁芯中的电阻，阻断涡流回路，以减少电能转化成铁芯的内能，提高效率，是为防止涡流而采取的措施．7. 答案 C8. 答案 AD解析 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．总之不管1向哪个方向转动，2对1的效果总起到阻尼作用．所以它能使指针很快地稳定下来．10. 答案 C12. 答案 v ＝(M －m )gR 2B 2l 2解析 假设磁场B 的方向是垂直纸面向里，ab 杆向下匀速运动的速度为v ，则ab 杆切割磁感线产生的感应电动势大小E=Blv,方向a →b ；杆cd 以速度v 向上切割磁感线运动产生的感应电动势大小E ′＝Bl v ，方向d →c .在闭合回路中产生a →b →d →c →a 方向的感应电流I ，由闭合电路欧姆定律知I ＝E ＋E ′2R＝2Bl v 2R ＝Bl v R，ab 杆受磁场作用的安培力F 方向向上，cd 杆受安培力F ′方向向下，F 、F ′的大小相等F ＝BIl ＝B 2l 2v R① 对ab 杆应有T ＝Mg －F ②对cd 杆应有T ＝F ′＋mg ③联立①②③解得v ＝(M －m )gR 2B 2l 2。