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3.涡流、电磁阻尼和电磁驱动
第二章
2022
内容索引
01
02
03
自主预习·新知导学
合作探究·释疑解惑
课 堂 小 结
04
随 堂 练 习
课 标 定 位
1.了解涡流的产生原因及涡流的防止和应用。
2.了解电磁阻尼和电磁驱动的原理和应用。
素 养 阐 释
1.通过对涡流、电磁阻尼和电磁驱动的学习,形成物理观念。
2.通过对涡流实例及电磁阻尼和电磁驱动在生活和生产中的应用的分析,掌握科学思维的方法。
自主预习·新知导学
一、电磁感应现象中的感生电场 涡流
1.感生电场:磁场变化时会在空间激发一种电场。
2.感生电动势:由感生电场产生的感应电动势。
3.电子感应加速器是利用感生电场使电子加速的设备。
4.涡电流:由于电磁感应,在导体中产生的像水中的旋涡的感应电流,简称涡流。
5.利用涡流冶炼金属的优点是什么
提示:整个过程可以在真空中进行,能防止空气中的杂质进入金属,可以冶炼高质量的合金。
6.利用涡流热效应和涡流磁效应的应用分别有哪些
提示:(1)涡流热效应的应用:真空冶炼炉、电磁炉等。(2)涡流磁效应的应用:探雷器、安检门等。
7.电动机、变压器等设备中为防止铁芯中的涡流过大而导致浪费能量、损坏电器,应采取什么措施
提示:途径一:增大铁芯材料的电阻率。途径二:用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯。
二、电磁阻尼 电磁驱动
1.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运动的现象。
(2)应用:磁电式仪表中利用电磁阻尼原理使指针迅速停下来,便于读数。
2.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安培力的作用,安培力使导体运动起来,这种作用常常称为电磁驱动。
(2)应用:交流感应电动机。
【思考讨论】
1.判断下列说法的正误。
(1)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。( )
(2)涡流有热效应,但没有磁效应。( )
(3)变压器的铁芯用硅钢片叠成,是为了减小涡流回路的电阻,减小电能损失。( )
(4)涡流是一种有害的电磁感应现象。( )
(5)由电磁驱动的实例可以说明,感应电流只能提供动力不能提供阻力。
( )
(6)电磁阻尼和电磁驱动均遵循楞次定律。( )
√
×
×
×
×
√
2.结合感应电流的产生条件想一想,涡流的产生条件是什么
提示:因为涡流的本质是感应电流,所以产生条件也有两个,一是穿过金属块的磁通量发生变化,二是金属块本身可自行构成闭合回路。
3.在电磁阻尼与电磁驱动中,安培力所起的作用相同吗 为什么
提示:不同。因为电磁阻尼中安培力的方向与导体运动方向相反,是阻力;而在电磁驱动中,安培力的方向与导体运动方向相同,是动力。
合作探究·释疑解惑
知识点一
涡流的理解、利用和防止
【问题引领】
在一个绕有线圈的可拆变压器铁芯上面放一口小铁锅,如图所示,锅内放少许水,给线圈通入交变电流一段时间,再用盛有少许水的玻璃杯代替小铁锅,通电时间相同。
(1)铁锅和玻璃杯中的水温有什么不同
(2)若要缩短上述加热时间且达到相同的效果,可采取什么措施
提示:(1)通电后铁锅中的水逐渐变热,玻璃杯中的水温不变化。
(2)增加线圈的匝数或提高交流电源的频率。
【归纳提升】
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,则由于安培力做负功,金属块的机械能转化为电能,最终转化为内能。
【典型例题】
【例题1】 (多选)高频焊接原理示意图如图所示。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,感应电流通过焊缝时产生大量热量,将金属熔化,把工件焊接在一起,而工件其他部分发热很少。下列说法正确的是( )
A.电流变化的频率越高,焊缝处的温度升高得越快
B.电流变化的频率越低,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:线圈中通以高频电流时,待焊接的金属工件中就会产生感应电流,感应电流的大小与感应电动势有关。电流变化的频率越高,感应电动势越大,感应电流越大,结合焦耳定律可知,选项A正确,选项B错误;工件上焊缝处的电阻大,所以感应电流通过时产生的热量多,选项C错误,选项D正确。
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。
【变式训练1】 (多选)对变压器和电动机等中的涡流的认识,以下说法正确的是( )
A.涡流会使铁芯温度升高,减少线圈上绝缘材料的寿命
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相互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
答案:AB
解析:变压器和电动机中产生的涡流会使其温度升高消耗能量,同时会减少线圈上绝缘材料的寿命,选项A、B正确;变压器和电动机的铁芯用相互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,选项C错误;涡流产生于铁芯中,对原电流无阻碍作用,选项D错误。
知识点二
对电磁阻尼和电磁驱动的理解
【问题引领】
1.拨动灵敏电流计指针,拨动停止后观察现象。在两个接线柱上接上一根导线(短路线)再次拨动指针,拨动停止后再次观察现象。
(1)两次观察到的现象有何不同
(2)两次观察到不同的现象,是什么原因造成的
提示:(1)第一次停止拨动后,可观察到指针要摆动多次,经一定时间才能停止下来;第二次停止拨动后,可发现指针摆幅迅速减小,比不连短路线时摆动的时间短得多。
(2)这是由于当接上短路线时,与指针相连的线圈在磁场中摆动时产生了感应电流,线圈受到的安培力总是阻碍线圈的转动,使指针摆幅迅速减小。
2.一个闭合线圈放在蹄形磁铁的两磁极之间,如图所示,蹄形磁铁和闭合线圈都可以绕轴转动。当蹄形磁铁顺时针转动时线圈也顺时针转动,当磁铁逆时针转动时线圈也逆时针转动。根据以上现象,回答下列问题:
(1)蹄形磁铁转动时,穿过线圈的磁通量是否变化
(2)使线圈转动起来的动力是什么力 线圈的转动速度与磁铁的转动速度相同吗
提示:(1)变化。蹄形磁铁转动时,线圈内的磁通量发生变化,线圈中产生了感应电流以阻碍磁通量的增加。
(2)线圈内因产生的感应电流受到安培力的作用,安培力作为动力使线圈转动起来。线圈的转动速度小于磁铁的转动速度。
【归纳提升】
电磁阻尼与电磁驱动的比较
【典型例题】
【例题2】 (多选)(2020上海青浦区检测)位于光滑水平面上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某一初速度水平穿过,如图所示。若条形磁铁和小车整体在水平方向上不受外力作用,则在此过程中( )
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
答案:BC
解析:本题考查电磁驱动,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。
电磁阻尼是安培力总是阻碍导体运动的现象,电磁驱动是安培力使导体运动的现象,而上述两种现象中的安培力均是感应电流使导体受到的安培力。
【变式训练2】 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两两相等,当两块蹄形磁铁以相同的速度匀速向右运动时,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
答案:D
解析:当两蹄形磁铁靠近线圈时,线圈要阻碍其靠近,线圈有向右移动的趋势,受到木板的摩擦力方向向左;当蹄形磁铁远离线圈时,线圈要阻碍其远离,线圈仍有向右移动的趋势,受到木板的摩擦力方向仍是向左的,选项D正确。
课 堂 小 结
随 堂 练 习
1.(涡流的应用与防止)(多选)下列器具的工作原理与涡流有关的是( )
A.家用电磁炉
B.家用微波炉
C.变压器的铁芯用多块硅钢片粘在一起
D.风扇转动时扇叶与空气摩擦发热
答案:AC
解析:电磁炉是利用高频磁场产生涡流来加热食物的,故选项A正确。变压器的铁芯不用一块硅钢,是为了防止涡流损耗电能并烧毁变压器,多块硅钢片彼此绝缘,有效地减小了涡流,选项C正确。
2.(涡流的防止)(多选)变压器的铁芯是利用薄硅钢片叠加而成的,而不是采用一整块硅钢,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.增大铁芯的电阻,以产生更多的热量
D.增大铁芯的电阻,以减小发热量
答案:BD
解析:涡流能使导体发热。变压器的铁芯用相互绝缘的薄片叠加而成,是为了增大铁芯的电阻,以减小涡流,从而减少能量损耗,提高变压器的效率。
3.(对电磁阻尼的理解)(多选)电表中的指针和电磁阻尼器如图所示,下列说法正确的是( )
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
答案:AD
解析:1在2中转动产生感应电流,感应电流受到安培力的作用阻碍1的转动, A、D正确。
4.(对电磁驱动的理解)(多选)如图所示,一闭合铝环套在一根光滑平杆上,当条形磁铁靠近它时,下列结论正确的是( )
A.N极靠近铝环时,铝环将向左运动
B.S极靠近铝环时,铝环将向左运动
C.N极靠近铝环时,铝环将向右运动
D.S极靠近铝环时,铝环将向右运动
答案:AB
解析:条形磁铁靠近闭合铝环,无论哪个磁极靠近,都会在铝环中产生感应电流,以阻碍它们的相对运动,故A、B正确。
本 课 结 束3.涡流、电磁阻尼和电磁驱动
课后训练巩固提升
一、基础巩固
1.下列关于涡流的说法正确的是( )
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:涡流的本质是电磁感应现象中产生的感应电流,只不过是由金属块自身构成回路,它既有热效应,也有磁效应,所以A正确,B、C错误;硅钢中产生的涡流较小,D错误。
2.下列应用哪些与涡流无关( )
A.高频感应冶炼炉
B.汽车的电磁式速度表
C.家用电能表
D.闭合线圈在匀强磁场中转动,切割磁感线产生的电流
答案:D
解析:高频感应冶炼炉,炉外线圈通入交变电流,炉内的金属中产生涡流;汽车速度表是磁电式电流表,指针摆动时,铝框骨架中产生涡流;家用电能表(转盘式)的转盘中有涡流产生;闭合线圈在磁场中转动产生的感应电流不同于涡流,D与涡流无关。
3.(多选)右图是用涡流金属探测器探测地下金属物的示意图,下列说法正确的是( )
A.探测器内的探测线圈会产生交变磁场
B.只有具有磁性的金属物才会被探测器探测到
C.探测到地下的金属物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:AD
解析:金属探测器是利用涡流进行工作的。本题主要考查涡流产生原理的应用,培养学生理论联系实际的应用能力,提高学生的科学思维。
4.(多选)一块铜片置于如图所示的磁场中,如果用力把这块铜片从磁场拉出或把它进一步推入,在这两个过程中有关磁场对铜片的作用力,下列叙述正确的是( )
A.拉出时受到阻力
B.推入时受到阻力
C.拉出时不受磁场力
D.推入时不受磁场力
答案:AB
解析:对于铜片,无论是拉出还是推入过程中,铜片内均产生涡流,其安培力都要阻碍铜片的运动,外力都要克服安培力做功,所以选项A、B正确。
5.(多选)如图所示,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( )
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
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。本题主要考查电磁阻尼的应用,提高学生的科学思维。
6.(多选)(2020浙江黄岩检测)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
答案:BD
解析: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,选项A错误,B正确;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电流,因而不能检查出金属物品携带者,C错误;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正确。
7.(多选)右图为新一代炊具——电磁炉,无烟、无明火、不产生有害气体、无微波辐射、高效节能等是电磁炉的优点。电磁炉利用电流通过线圈产生磁场,当磁场的磁感线通过铁制的锅底部时,会产生无数小涡流,使锅体本身自行高速发热,然后再加热锅内食物。下列相关说法正确的是( )
A.锅体中的涡流是由恒定的磁场产生的
B.锅体中的涡流是由变化的磁场产生的
C.恒定磁场越强,电磁炉的加热效果越好
D.提高磁场变化的频率,可提高电磁炉的加热效果
答案:BD
解析:由电磁感应原理可知,锅体中的涡流是由变化的磁场产生的,且提高磁场变化的频率,产生的感应电动势变大,可提高电磁炉的加热效果,选项B、D正确。
8.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柱短接
C.自制金属地雷探测器
D.交流感应电动机
E.当图中B变大时,a、b在固定光滑导轨上滑动
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。
二、能力提升
1.(2020广东江门检测)电磁炉热效率高达90%,炉面无明火,无烟无废气,电磁“火力”强劲,安全可靠。下图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变电流后,在锅底产生涡流,进而发热工作
C.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
D.在锅和电磁炉中间放一纸板,则电磁炉不能起到加热作用
答案:B
解析:电磁炉是采用的涡流感应加热原理,其内部电子线路板组成部分产生交变磁场。当把铁质锅具底部放置在炉面上时,锅具底部金属部分产生涡流,用来加热和烹饪食物,故A错误,B正确。电磁炉工作时需要在锅底产生感应电流,陶瓷锅或耐热玻璃锅不属于金属导体,不能产生感应电流,C错误。通电线圈产生的磁场能穿透纸板到达锅底,在锅底产生感应电流,利用电流的热效应起到加热作用,D错误。本题主要考查电磁炉的加热原理,意在提高学生学以致用的能力,提高学生的科学思维。
2.(多选)如图所示,通有恒定电流的螺线管竖直放置,一铜环R沿螺线管的轴线加速下落,在下落过程中,环面始终保持水平。铜环先后经过轴上1、2、3位置时的加速度分别为a1、a2、a3,位置2处于螺线管的中心,位置1、3与位置2等距,则( )
A.a1
C.a1=a3答案:ABD
解析:圆环落入螺线管及从螺线管穿出时,环中感应电流所受安培力向上,故a13.如图所示,一条形磁铁在图示位置由静止开始下落,穿过采用双线绕成的闭合线圈,则条形磁铁从下落到穿过线圈的过程中可能做( )
A.匀减速运动
B.匀速运动
C.非匀变速运动
D.自由落体运动
答案:D
解析:双线绕成的线圈相当于两个闭合线圈,发生电磁感应时,这两个线圈中的电动势方向始终相反,故两线圈中没有产生感应电流,当磁铁从线圈中穿过时,不会受到阻碍,因此做自由落体运动。
4.(2020河北定州中学模拟)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
答案:C
解析:小磁块在内壁光滑的塑料管Q中,从高处由静止释放做自由落体运动,机械能守恒;小磁块在内壁光滑的铜管P中,则会产生电磁阻尼阻碍小磁块的运动,相比Q中自由落体运动时间要长,C项正确,A项错误;由于电磁阻尼产生焦耳热,机械能不守恒,B项错误;由于机械能有损失,落至底部时在P中的速度比在Q中的小,D项错误。
5.(多选)圆形导体环用一根轻质细杆悬挂在O点,导体环可以在竖直平面内来回摆动,空气阻力和摩擦力均不计,在如图所示的虚线正方形区域有垂直于圆环的摆动面指向纸内的匀强磁场。下列说法正确的是( )
A.此摆开始摆动并进入磁场后机械能不守恒
B.导体环进入磁场和离开磁场时,环中感应电流的方向肯定相反
C.导体环通过最低位置时,环中感应电流最大
D.最后此摆在匀强磁场中摆动时,机械能守恒
答案:ABD
解析:开始时导体环在进入和穿出磁场的过程中,有感应电流产生,部分机械能转化为电能,选项A正确;根据楞次定律,导体环在进入磁场和穿出磁场时感应电流方向相反,选项B正确;当导体环全部进入磁场时,无感应电流产生,在最低点时导体环的动能最大,选项C错误;最后导体环在磁场中摆动时,无感应电流产生,又不计阻力,故机械能守恒,选项D正确。
6.如图所示,质量m=100 g的铝环,用细线悬挂起来,环中央距地面高度h=0.8 m,有一质量m0=200 g的小磁铁(长度可忽略),以 10 m/s 的水平速度射入并穿过铝环,落地点距铝环原位置的水平距离为3.6 m。小磁铁穿过铝环后的运动看作平抛运动。
(1)磁铁与铝环开始发生相互作用时铝环向哪边偏斜
(2)若铝环在磁铁穿过后速度为2 m/s,在磁铁穿过铝环的整个过程中,环中产生了多少电能 (g取10 m/s2)
答案:(1)铝环向右偏
(2)1.7 J
解析:(1)由楞次定律可知,当小磁铁向右运动时,铝环向右偏斜(阻碍相对运动)。
(2)由磁铁穿过铝环飞行的水平距离可求出磁铁穿过后的速度v==9 m/s
由能量守恒可得E电=m0m0v2-mv'2=1.7 J。