第3节 涡流、电磁阻尼和电磁驱动
(强基课—逐点理清物理观念)
课标要求 学习目标
1.通过实验,了解涡流现象。2.能举例说明涡流现象在生产生活中的应用。 1.了解感生电场的概念,了解电子感应加速器的工作原理。2.理解涡流的产生原理,了解涡流在生产和生活中的应用。3.理解电磁阻尼和电磁驱动的原理,了解其在生产和生活中的应用。
逐点清(一) 电磁感应现象中的感生电场
[多维度理解]
1．麦克斯韦认为，磁场________时会在周围空间激发一种电场，这种电场叫作感生电场。
2．由__________产生的感应电动势叫感生电动势。
3．电子感应加速器就是利用__________使电子加速的设备。当电磁铁线圈中________的大小、方向发生变化时，产生的感生电场使电子加速。
4．感生电场的方向根据楞次定律用右手螺旋定则判断，感生电动势的大小由法拉第电磁感应定律E＝n计算。
(1)静电场是由电荷激发而产生的，感生电场是由变化的磁场激发而产生的。
(2)静电场的电场线不是闭合的，而感生电场的电场线是闭合的。
[全方位练明]
1．(多选)关于感生电场，下列说法中正确的是( )
A．感生电场由变化的磁场产生
B．恒定的磁场也能在周围空间产生感生电场
C．感生电场的方向可以用楞次定律来判定
D．感生电场的电场线是闭合曲线，其方向一定是沿逆时针方向
2.某空间出现了如图所示的一组闭合电场线，方向从上向下看是顺时针，这可能是原磁场( )
A．沿AB方向且在迅速减弱
B．沿AB方向且在迅速增强
C．沿BA方向且恒定不变
D．沿BA方向且在迅速减弱
3．现代科学研究中常要用到高速电子，电子感应
加速器就是利用感生电场使电子加速的设备。如图所示，图甲为侧视图，上、下为电磁铁的两个磁极；图乙为磁极之间真空室的俯视图。若从上往下看，电子在真空室中沿逆时针方向做圆周运动，改变电磁铁线圈中电流的大小可使电子加速。则下列判断正确的是( )
A．真空室中产生的感生电场沿逆时针方向
B．通入电磁铁线圈的电流在增强
C．电子在轨道中加速的驱动力是洛伦兹力
D．电子在轨道中做圆周运动的向心力是由静电力提供的逐点清(二) 涡流
[多维度理解]
1．涡流：当某线圈中的________随时间变化时，由于电磁感应，这个线圈附近的任何导体，如果穿过它的磁通量发生变化，导体内都会产生__________，如果用图表示这样的感应电流，看起来就像水中的漩涡，所以把它叫作涡电流，简称涡流。
2．涡流的应用与防止
(1)应用：____________、________、________等。
(2)防止：为了减小电动机、变压器铁芯上的涡流，常用电阻率较大的________做铁芯材料，或者用相互绝缘的________叠成铁芯来代替整块硅钢铁芯。
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。
[典例] 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＝x2，其下半部分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，假设滑动的时间足够长，则金属块在曲面上滑动的过程中产生的焦耳热总量是(重力加速度为g)( )
A．mgb B.mv2
C．mg(b－a) D．mg(b－a)＋mv2
听课记录：
[变式拓展] 对应[典例]中的情境，若虚线下方的磁场为非匀强磁场，则金属块在曲面上滑动时产生的焦耳热总量是多少？
/方法技巧/
(1)金属块进出匀强磁场时，产生焦耳热，损失机械能。
(2)金属块整体在匀强磁场中运动时，其机械能不再损失，在磁场中做往复运动。
(3)金属块整体在非匀强磁场中运动时，金属块内部有涡流产生，金属块的机械能仍转化为电能。
[全方位练明]
1.(多选)涡流检测是工业上无损检测的方法之一。如图所示，线圈中通以一定频率的正弦交流电，靠近待测工件时，工件内会产生涡流，同时线圈中的电流受涡流影响也会发生变化。下列说法正确的是( )
A．涡流的磁场总是要阻碍穿过工件磁通量的变化
B．涡流的频率等于通入线圈的交流电的频率
C．通电线圈和待测工件间存在周期性变化的作用力
D．待测工件可以是塑料或橡胶制品
2.(选自沪科版教材课后练习)强大的涡电流在金属内流动时，会释放大量的热能。工业上利用这种热效应，制成高频电磁感应电炉来冶炼金属，其结构原理图如图所示。请分析它的工作原理。
逐点清(三) 电磁阻尼和电磁驱动
[多维度理解]
1．电磁阻尼
当____________________时，感应电流会使导体受到安培力作用，安培力总是________导体的运动，这种现象称为电磁阻尼。
2．电磁驱动
(1)如果____________________，在导体中会产生感应电流，感应电流使导体受到________的作用，________使导体运动起来，这种作用常常称为电磁驱动。
(2)交流感应电动机就是利用__________的原理工作的，把______转化成________。
电磁阻尼与电磁驱动的对比分析
电磁阻尼 电磁驱动
不同点 成因 由于导体在磁场中运动而产生感应电流,从而使导体受到安培力 由于磁场运动引起磁通量的变化而产生感应电流,从而使导体受到安培力
效果 安培力的方向与导体运动方向相反,阻碍导体运动 导体受安培力的方向与导体运动方向相同,推动导体运动
能量转化 导体克服安培力做功,其他形式的能转化为电能,最终转化为内能 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,从而对外做功
相同点 两者都是电磁感应现象,都遵循楞次定律,都是安培力阻碍引起感应电流的导体与磁场间的相对运动
[全方位练明]
1．(多选)如图所示，是电表中的指针和电磁阻尼器，下列说法中正确的是( )
A．2是磁体，在1中产生涡流
B．1是磁体，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稳定下来
2.如图所示，蹄形磁体和矩形线圈均可绕竖直轴OO′转动。从上向下看，当蹄形磁体逆时针转动时( )
A．线圈将逆时针转动，转速与磁体相同
B．线圈将逆时针转动，转速比磁体小
C．线圈将逆时针转动，转速比磁体大
D．线圈静止不动
3．(选自鲁科版教材课后练习)如图所示，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U形磁铁放在铜盘边缘，但并不与铜盘接触，则铜盘( )
A．不受影响，和原先一样转动
B．很快停下来
C．比原先需要更长时间停下来
D．比原先更快地转动
第3节 涡流、电磁阻尼和电磁驱动
逐点清(一)
[多维度理解]
1．变化 2.感生电场 3.感生电场 电流
[全方位练明]
1．选AC 磁场变化时在空间激发感生电场，其方向与所产生的感应电流方向相同，可由楞次定律判断，A、C正确，B、D错误。
2．选A 感生电场的方向从上向下看是顺时针，假设在平行于感生电场的方向上有闭合回路，则回路中的感应电流方向从上向下看也是顺时针，由右手螺旋定则可知，感应电流的磁场沿AB方向，根据楞次定律可知，原磁场有两种可能：原磁场沿AB方向且在迅速减弱，或原磁场沿BA方向且在迅速增强，A正确。
3．选B 电子在电子感应加速器中沿逆时针方向加速，电子带负电，电场方向与电子受力的方向相反，所以真空室中产生的感生电场沿顺时针方向，由安培定则可知，感生电场产生的磁场与原磁场方向相反，根据楞次定律，原磁场应该变强，即电磁铁线圈中的电流应该增强，故A错误，B正确；电磁铁线圈中的电流在真空室中产生磁场，电子在洛伦兹力的作用下做圆周运动，D错误；由于感生电场使电子加速，即电子在轨道中加速的驱动力是静电力，C错误。
逐点清(二)
[多维度理解]
1．电流 感应电流 2.(1)真空冶炼炉 探雷器 安检门
(2)硅钢 硅钢片
[典例] 选D 因虚线下方的磁场是匀强磁场，则金属块整体在磁场内运动时磁通量不变，金属块内不产生涡流，不受磁场力，机械能不变，则金属块最终在磁场区域内做往复运动。金属块由初状态到末状态能量守恒，初状态机械能E1＝mgb＋mv2，末状态机械能E2＝mga，产生的焦耳热Q＝E1－E2＝mg(b－a)＋mv2，D正确。
[变式拓展] 解析：由于虚线下方的磁场为非匀强磁场，则金属块最终停止于最低点O处，由能量守恒定律可知，产生的焦耳热总量Q＝mgb＋mv2。
答案：mgb＋mv2
[全方位练明]
1．选ABC 涡流是感应电流，涡流的磁场总是阻碍穿过工件的磁通量的变化，而且涡流的频率与线圈中交流电的频率相等，A、B正确；因待测工件中的涡流与通电线圈中的电流具有相同频率，因此二者间必有周期性变化的作用力，C正确；涡流只能在金属制品中产生，D错误。
2．提示：线圈中的高频电流产生变化的磁场，变化的磁场产生感应电场，感应电场产生感应电流——涡流，涡流产生热效应来冶炼金属。
逐点清(三)
[多维度理解]
1．导体在磁场中运动 阻碍 2.(1)磁场相对于导体转动 安培力 安培力 (2)电磁驱动 电能 机械能
[全方位练明]
1．选AD 当电表的指针摆动时，金属框1在蹄形磁体2中转动，金属框中的磁通量发生变化，则产生感应电流——涡流，金属框在磁场中所受的安培力阻碍其间的相对运动，使指针很快稳定下来，故A、D正确。
2．选B 当蹄形磁体转动时，穿过线圈的磁通量发生变化，从而产生感应电流，线圈受到安培力，故线圈一定会转动，由楞次定律可知，线圈将与磁体同向转动，但转速一定小于磁体的转速，B正确，A、C、D错误。
3．选B 铜盘由于受到电磁阻尼的作用而很快停下来，故B正确，A、C、D错误。
1 / 5(共68张PPT)
涡流、电磁阻尼和电磁驱动
(强基课—逐点理清物理观念)
第3节
课标要求 学习目标
1.通过实验,了解涡流现象。 2.能举例说明涡流现象在生产生活中的应用。 1.了解感生电场的概念,了解电子感应加速器的工作原理。
2.理解涡流的产生原理,了解涡流在生产和生活中的应用。
3.理解电磁阻尼和电磁驱动的原理,了解其在生产和生活中的应用。
1
逐点清(一) 电磁感应现象中的感生电场
2
逐点清(二) 涡流
3
逐点清(三) 电磁阻尼和电磁驱动
4
课时跟踪检测
CONTENTS
目录
逐点清(一) 电磁感应现象
中的感生电场
1.麦克斯韦认为,磁场______时会在周围空间激发一种电场,这种电场叫作感生电场。
2.由___________产生的感应电动势叫感生电动势。
3.电子感应加速器就是利用_________使电子加速的设备。当电磁铁线圈中_____的大小、方向发生变化时,产生的感生电场使电子加速。
4.感生电场的方向根据楞次定律用右手螺旋定则判断,感生电动势的大小由法拉第电磁感应定律E=n计算。
多维度理解
变化
感生电场
感生电场
电流
(1)静电场是由电荷激发而产生的,感生电场是由变化的磁场激发而产生的。
(2)静电场的电场线不是闭合的,而感生电场的电场线是闭合的。
1.(多选)关于感生电场,下列说法中正确的是 ( )
A.感生电场由变化的磁场产生
B.恒定的磁场也能在周围空间产生感生电场
C.感生电场的方向可以用楞次定律来判定
D.感生电场的电场线是闭合曲线,其方向一定是沿逆时针方向
解析:磁场变化时在空间激发感生电场,其方向与所产生的感应电流方向相同,可由楞次定律判断,A、C正确,B、D错误。
全方位练明
√
√
2.某空间出现了如图所示的一组闭合电场线,
方向从上向下看是顺时针,这可能是原磁场 ( )
A.沿AB方向且在迅速减弱
B.沿AB方向且在迅速增强
C.沿BA方向且恒定不变
D.沿BA方向且在迅速减弱
√
解析:感生电场的方向从上向下看是顺时针,假设在平行于感生电场的方向上有闭合回路,则回路中的感应电流方向从上向下看也是顺时针,由右手螺旋定则可知,感应电流的磁场沿AB方向,根据楞次定律可知,原磁场有两种可能:原磁场沿AB方向且在迅速减弱,或原磁场沿BA方向且在迅速增强,A正确。
3.现代科学研究中常要用到高速电子,电子感应加
速器就是利用感生电场使电子加速的设备。如图所示,
图甲为侧视图,上、下为电磁铁的两个磁极;图乙为磁极
之间真空室的俯视图。若从上往下看,电子在真空室中
沿逆时针方向做圆周运动,改变电磁铁线圈中电流的大
小可使电子加速。则下列判断正确的是 ( )
A.真空室中产生的感生电场沿逆时针方向
B.通入电磁铁线圈的电流在增强
C.电子在轨道中加速的驱动力是洛伦兹力
D.电子在轨道中做圆周运动的向心力是由静电力提供的
√
解析:电子在电子感应加速器中沿逆时针方向加速,电子带负电,电场方向与电子受力的方向相反,所以真空室中产生的感生电场沿顺时针方向,由安培定则可知,感生电场产生的磁场与原磁场方向相反,根据楞次定律,原磁场应该变强,即电磁铁线圈中的电流应该增强,故A错误,B正确;电磁铁线圈中的电流在真空室中产生磁场,电子在洛伦兹力的作用下做圆周运动,D错误;由于感生电场使电子加速,即电子在轨道中加速的驱动力是静电力,C错误。
逐点清(二) 涡流
1.涡流:当某线圈中的______随时间变化时,由于电磁感应,这个线圈附近的任何导体,如果穿过它的磁通量发生变化,导体内都会产生___________,如果用图表示这样的感应电流,看起来就像水中的漩涡,所以把它叫作涡电流,简称涡流。
多维度理解
电流
感应电流
2.涡流的应用与防止
(1)应用:_____________、_________、_________等。
(2)防止:为了减小电动机、变压器铁芯上的涡流,常用电阻率较大的_______做铁芯材料,或者用相互绝缘的_________叠成铁芯来代替整块硅钢铁芯。
真空冶炼炉
探雷器
安检门
硅钢
硅钢片
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。
[典例] 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=x2,其下半部分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,假设滑动的时间足够长,则金属块在曲面上滑动的过程中产生的焦耳热总量是(重力加速度为g) ( )
A.mgb B.mv2
C.mg(b-a) D.mg(b-a)+mv2
√
[解析] 因虚线下方的磁场是匀强磁场,则金属块整体在磁场内运动时磁通量不变,金属块内不产生涡流,不受磁场力,机械能不变,则金属块最终在磁场区域内做往复运动。金属块由初状态到末状态能量守恒,初状态机械能E1=mgb+mv2,末状态机械能E2=mga,产生的焦耳热Q=E1-E2=mg(b-a)+mv2,D正确。
[变式拓展] 对应[典例]中的情境,若虚线下方的磁场为非匀强磁场,则金属块在曲面上滑动时产生的焦耳热总量是多少
[答案] mgb+mv2
[解析] 由于虚线下方的磁场为非匀强磁场,则金属块最终停止于最低点O处,由能量守恒定律可知,产生的焦耳热总量Q=mgb+mv2。
/方法技巧/
(1)金属块进出匀强磁场时,产生焦耳热,损失机械能。
(2)金属块整体在匀强磁场中运动时,其机械能不再损失,在磁场中做往复运动。
(3)金属块整体在非匀强磁场中运动时,金属块内部有涡流产生,金属块的机械能仍转化为电能。
1.(多选)涡流检测是工业上无损检测的方法之一。如图
所示,线圈中通以一定频率的正弦交流电,靠近待测工件时,工件
内会产生涡流,同时线圈中的电流受涡流影响也会发生变化。
下列说法正确的是 ( )
A.涡流的磁场总是要阻碍穿过工件磁通量的变化
B.涡流的频率等于通入线圈的交流电的频率
C.通电线圈和待测工件间存在周期性变化的作用力
D.待测工件可以是塑料或橡胶制品
全方位练明
√
√
√
解析:涡流是感应电流,涡流的磁场总是阻碍穿过工件的磁通量的变化,而且涡流的频率与线圈中交流电的频率相等,A、B正确;因待测工件中的涡流与通电线圈中的电流具有相同频率,因此二者间必有周期性变化的作用力,C正确;涡流只能在金属制品中产生,D错误。
2.(选自沪科版教材课后练习)强大的涡电流在金属内
流动时,会释放大量的热能。工业上利用这种热效应,制成
高频电磁感应电炉来冶炼金属,其结构原理图如图所示。
请分析它的工作原理。
提示:线圈中的高频电流产生变化的磁场,变化的磁场产生感应电场,感应电场产生感应电流——涡流,涡流产生热效应来冶炼金属。
逐点清(三) 电磁阻尼和电磁驱动
1.电磁阻尼
当___________________时,感应电流会使导体受到安培力作用,安培力总是______导体的运动,这种现象称为电磁阻尼。
2.电磁驱动
(1)如果_____________________,在导体中会产生感应电流,感应电流使导体受到________的作用,________ 使导体运动起来,这种作用常常称为电磁驱动。
多维度理解
导体在磁场中运动
阻碍
磁场相对于导体转动
安培力
安培力
(2)交流感应电动机就是利用__________的原理工作的,把______转化成________。
电磁阻尼与电磁驱动的对比分析
电磁阻尼 电磁驱动
不同点 成 因 由于导体在磁场中运动而产生感应电流,从而使导体受到安培力 由于磁场运动引起磁通量的变化而产生感应电流,从而使导体受到安培力
电磁驱动
电能
机械能
不 同 点 效果 安培力的方向与导体运动方向相反,阻碍导体运动 导体受安培力的方向与导体运动方向相同,推动导体运动
能量转化 导体克服安培力做功,其他形式的能转化为电能,最终转化为内能 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,从而对外做功
相同点 两者都是电磁感应现象,都遵循楞次定律,都是安培力阻碍引起感应电流的导体与磁场间的相对运动
续表
1.(多选)如图所示,是电表中的指针和电磁阻尼器,下列
说法中正确的是 ( )
A.2是磁体,在1中产生涡流
B.1是磁体,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稳定下来
全方位练明
√
√
解析:当电表的指针摆动时,金属框1在蹄形磁体2中转动,金属框中的磁通量发生变化,则产生感应电流——涡流,金属框在磁场中所受的安培力阻碍其间的相对运动,使指针很快稳定下来,故A、D正确。
2.如图所示,蹄形磁体和矩形线圈均可绕竖直轴OO'转动。
从上向下看,当蹄形磁体逆时针转动时 ( )
A.线圈将逆时针转动,转速与磁体相同
B.线圈将逆时针转动,转速比磁体小
C.线圈将逆时针转动,转速比磁体大
D.线圈静止不动
√
解析:当蹄形磁体转动时,穿过线圈的磁通量发生变化,从而产生感应电流,线圈受到安培力,故线圈一定会转动,由楞次定律可知,线圈将与磁体同向转动,但转速一定小于磁体的转速,B正确,A、C、D错误。
3.(选自鲁科版教材课后练习)如图所示,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
U形磁铁放在铜盘边缘,但并不与铜盘接触,则铜盘 ( )
A.不受影响,和原先一样转动
B.很快停下来
C.比原先需要更长时间停下来
D.比原先更快地转动
解析:铜盘由于受到电磁阻尼的作用而很快停下来,故B正确,A、C、D错误。
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课时跟踪检测
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A级——基础达标
1.在下列所示的四种磁场中,能产生恒定感生电场的是( )
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解析:要产生恒定的感生电场,所产生的感应电动势一定是恒定的,由E=n=nS可知,磁场必须是均匀变化的,C正确。
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2.以下现象没有利用电磁阻尼现象的是 ( )
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A.图1中,线圈能使振动的条形磁铁快速停下来
B.图2中,无缺口的铝管比有缺口的铝管能更快使强磁铁匀速运动
C.图3中,U形磁铁可以使高速转动的铝盘迅速停下来
D.图4中,转动把手时下面的闭合铜线框会随U形磁铁同向转动
解析:振动的条形磁铁使线圈中产生感应电流,感应电流对磁铁与线圈间的相对运动有阻碍作用,能使振动的条形磁铁快速停下来,这是利用了电磁阻尼现象,A不符合题意;
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磁铁通过无缺口的铝管时产生的感应电流较大,较大的感应电流对磁铁与铝管间的相对运动有较大的阻碍作用,能更快使强磁铁匀速运动,这是利用了电磁阻尼现象,B不符合题意;U形磁铁可以在高速转动的铝盘中产生感应涡电流,感应涡电流对铝盘与磁铁间的相对运动有阻碍作用,能使铝盘迅速停下来,这是利用了电磁阻尼现象,C不符合题意;转动把手时下面的闭合铜线框随U形磁铁同向转动,这是利用了电磁驱动现象,D符合题意。
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3.某同学搬运如图所示的磁电式电流表时,发现表针晃动剧烈
且不易停止。按照老师建议,该同学在两接线柱间接一根导线后
再次搬运,发现表针晃动明显减弱且能很快停止。下列说法正确的是 ( )
A.未接导线时,表针晃动过程中表内线圈不产生感应电动势
B.未接导线时,表针晃动剧烈是因为表内线圈受到安培力的作用
C.接上导线后,表针晃动过程中表内线圈不产生感应电动势
D.接上导线后,表针晃动减弱是因为表内线圈受到安培力的作用
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解析:未接导线时,表针晃动过程中表内线圈中产生感应电动势,但不构成闭合回路,故表内线圈中不产生感应电流,不受安培力作用,A、B错误;接上导线后,表针晃动过程中表内线圈产生感应电动势,在闭合回路中产生感应电流,受到安培力的作用,是电磁阻尼的表现,C错误,D正确。
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4.(2024·湖北高考)《梦溪笔谈》中记录了一次罕见的雷击事件:房屋被雷击后,屋内的银饰、宝刀等金属熔化了,但是漆器、刀鞘等非金属却完好(原文为:有一木格,其中杂贮诸器,其漆器银扣者,银悉熔流在地,漆器曾不焦灼。有一宝刀,极坚钢,就刀室中熔为汁,而室亦俨然)。导致金属熔化而非金属完好的原因可能为 ( )
A.摩擦 B.声波 C.涡流 D.光照
解析:雷击时,瞬时非均匀变化的电场产生变化的磁场,变化的磁场在金属内产生涡流,发热使金属熔化,C正确。
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5.纯电动汽车是一种节能、环保的交通工具,它的制动能量回收系统通过能量回收再利用,可提高汽车对能量的利用效率。制动能量回收的原理是利用线圈在磁场中转动,将车辆制动时的部分动能转化为其他形式的能存储起来。关于制动能量回收,下列说法正确的是 ( )
A.制动能量回收利用了电磁感应现象
B.制动能量回收利用了电流的热效应
C.制动能量回收时,将车辆制动时的全部动能转化为内能
D.制动能量回收时,将车辆制动时的部分动能转化为重力势能
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解析:汽车在制动刹车过程中,动能减小,减小的动能一部分以电能的形式存储,因此制动能量回收利用了电磁感应现象,将车辆的部分动能转化为电能,A正确。
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6.(2024·江苏南通期末)如图所示,把一铁块放入通电线圈
内部,一段时间后,铁块就会“烧”得通红。下列说法中正确的
是 ( )
A.铁块中产生了涡流
B.线圈接的是干电池
C.如果将木块放在线圈内部,木块可能会燃烧
D.铁块是否会“烧”得通红与线圈中电流是否变化无关
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解析:当线圈通入变化的电流时,在线圈内部会产生变化的磁场,而铁块放在线圈内部,则变化的磁场会在铁块内部形成涡流,而根据电流的热效应,铁块会被“烧”得通红,故A正确;干电池提供的是直流电,当线圈接干电池时,线圈中的电流恒定,将产生恒定的磁场,而根据电磁感应原理可知,恒定的磁场不能产生电场,则铁块中不能产生涡流,铁块也不会被“烧”得通红,故B、D错误;由于木块不是导体,因此木块放在线圈内部时,木块中不会有感应电流产生,木块也不可能会燃烧,故C错误。
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7.(多选)“电磁感应铝箔封口机”被广泛应用
在医药、食品、化工等生产行业的产品封口环节
中,如图所示为一手持式封口机,它的工作原理是:当接通电源时,内置线圈产生磁场,当磁感线穿过封口铝箔材料时,瞬间产生大量小涡流,致使铝箔自行快速发热,熔化复合在铝箔上的溶胶,从而粘贴在承封容器的封口处,达到迅速封口的目的。下列有关说法正确的是 ( )
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A.封口材料可用普通塑料来代替铝箔
B.该封口机内置线圈中流过的是直流电
C.封口过程中温度过高,可适当减小所通电流的频率来解决
D.该封口机适用于玻璃、塑料等材质的容器封口但不适用于金属容器
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解析:由于封口机利用了电磁感应原理,故封口材料必须是金属类材料,内置线圈流过的是交流电,A、B错误;减小内置线圈中所通过电流的频率可以降低封口过程中产生的热量,即控制温度,C正确;封口材料应是金属类材料,但对应被封口的容器不能是金属,否则使金属容器发生涡流现象,使容器内温度升高,对容器内物体可能造成破坏,D正确。
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8.安装在公路上的测速装置如图所示,在路面下方间隔一定距离埋设有两个通电线圈,线圈与检测抓拍装置相连。车辆从线圈上方通过时,线圈中会产生脉冲感应电流,检测装置根据两个线圈产生的脉冲信号的时间差计算出车速大小,从而对超速车辆进行抓拍。下列说法正确的是 ( )
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A.汽车通过通电线圈上方时,两线圈产生的脉冲电流信号时间差越长,车速越大
B.汽车通过通电线圈上方时,汽车底盘的金属部件中会产生感应电流
C.当汽车从通电线圈上方匀速通过时,线圈中不会产生感应电流
D.以上说法都不对
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解析:汽车通过线圈上方时,线圈中产生脉冲电流信号,车速越大,汽车通过两线圈间的距离所用的时间越短,即两线圈产生的脉冲电流信号时间差越短,故A错误;汽车通过通电线圈上方时,汽车底盘的金属部件通过线圈所产生的磁场,汽车底盘的金属部件的磁通量发生变化,在汽车底盘的金属部件中产生感应电流;当汽车从通电线圈上方匀速通过时,线圈中的磁通量发生变化,线圈中会产生感应电流,故B正确,C、D错误。
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9.如图所示是一个水平放置的玻璃圆环形小槽,槽内
光滑,槽宽度和深度处处相同。现将一直径略小于槽宽的
带正电小球放在槽中,让它获得一初速度v0,与此同时,有一
变化的磁场垂直穿过玻璃圆环形小槽外径所对应的圆面,磁感应强度的大小随时间成正比例增大,方向竖直向下。设小球在运动过程中电荷量不变,则 ( )
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A.小球受到的向心力大小不变
B.小球受到的向心力大小不断增大
C.洛伦兹力对小球做了功
D.小球受到的洛伦兹力大小与时间成正比
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解析:当磁感应强度随时间均匀增大时,将产生一恒定的感生电场,由楞次定律结合安培定律知,感生电场的方向和小球初速度的方向相同,因小球带正电,电场力对小球做正功,小球速度逐渐增大,向心力也随着增大,A错误,B正确;洛伦兹力对运动电荷(小球)不做功,C错误;小球所受洛伦兹力F=qBv,随着速率的增大而增大,同时B∝t,则F和t不成正比,D错误。
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10. (多选)如图所示是某同学自制的简易磁力传动装置,铝制圆盘放置在可旋转底座上,圆盘正上方悬挂条形磁铁。关于该装置,从上往下看,说法正确的是 ( )
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A.当条形磁铁顺时针转动时,铝制圆盘顺时针转动
B.当条形磁铁顺时针转动时,铝制圆盘逆时针转动
C.当条形磁铁的转速变快时,铝制圆盘转速也变快
D.当条形磁铁停止转动,铝制圆盘会立即停止运动
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解析:根据电磁驱动的原理可知,当条形磁铁顺时针转动时,铝制圆盘也顺时针转动,当磁铁的转速变快时,铝制圆盘转速也变快,故A、C正确,B错误;当条形磁铁停止转动,由于惯性铝制圆盘会继续转动,由于铝制圆盘转动过程中仍产生感应电流,所以圆盘会逐渐减速直至停止转动,D错误。
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B级——综合应用
11.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其左右振动的衰减最有效的方案是( )
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解析:在A图中,系统振动时,紫铜薄板随之上下、左右振动,在磁场中的部分有时多、有时少,穿过紫铜薄板的磁通量发生变化,紫铜薄板产生感应电流,受到的安培力阻碍系统的振动;在B、D图中,紫铜薄板只有左右振动才产生感应电流,而上下振动无电流产生;在C图中,无论紫铜薄板上下振动还是左右振动,都不会产生感应电流。故选A。
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12. 如图所示,一根长1 m左右的无缝空心铝管竖直放置,
把一枚磁性比较强的小圆柱形永磁体从铝管上端放入管口,
圆柱直径略小于铝管的内径。让磁体从管口处由静止下落,
磁体在管内运动时,没有跟铝管内壁发生摩擦。有关磁体在
铝管中下落的过程,下列说法可能正确的是 ( )
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A.磁体做自由落体运动
B.磁体受到铝管中涡流的作用力方向先向上后向下
C.磁体受到的合力方向一直向下
D.磁体的机械能先增大后减小
解析:由于是无缝空心铝管,故磁体下落时,会产生电磁感应,出现涡流,根据楞次定律可知,会产生阻力阻止磁体的下落。
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开始时,磁体的速度较小,受到的阻力小于重力,合力向下,当磁体的速度逐渐增大时,磁体所受阻力也增大,加速度减小。当空心铝管足够长时,磁体会先做加速度逐渐减小的加速运动,达到最大速度时,磁体所受阻力等于重力,做匀速直线运动,因此磁体不可能做自由落体运动,且磁体受到铝管中涡流的作用力方向一直向上,故A、B错误;当铝管长度有限时,磁体可能达不到最大速度就穿过了铝管,即该过程中磁体的合力方向一直向下,故C可能正确;由于一直存在阻力做负功,因此磁体的机械能一直减小,故D错误。
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13.(多选)如图所示为某种售货机硬币识别系统简图。虚线框内存在磁场,从入口A进入的硬币沿斜面滚落,通过磁场区域后,由测速器测出速度大小,若速度在某一合适范围,挡板B自动开启,硬币就会沿斜面进入接收装置;否则挡板C开启,硬币进入另一个通道拒绝接收。下列说法正确的是 ( )
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A.磁场能使硬币的速度增大得更快
B.由于磁场的作用,硬币的机械能减小
C.硬币进入磁场的过程会受到来自磁场的阻力
D.如果没有磁场,则测速器示数会更大一些
解析:硬币进入磁场和离开磁场时,穿过硬币的磁通量都发生变化,硬币中产生感应电流,硬币受到的安培力会阻碍硬币的运动,即硬币进入磁场的过程会受到来自磁场的阻力。
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若磁场阻力大于硬币重力沿斜面的分力,硬币将做减速运动;若磁场阻力等于硬币重力沿斜面的分力,硬币将匀速进入磁场;若磁场阻力小于硬币重力沿斜面的分力,硬币继续加速运动,但速度增加变慢。综上所述,A错误,C正确;安培力对硬币做负功,使硬币的机械能减小,故B正确;如果没有磁场,对硬币没有阻碍作用,由动能定理可知,硬币到达测速器位置时速度更大一些,故D正确。
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14.电磁阻尼现象在日常生活中得到广泛应用,如
汽车的减震悬架等。某车型的减震系统由两部分组成:
一部分是机械弹簧主减震系统,另一部分是电磁辅助减
震系统。装置示意图如图所示,强磁体固定在汽车底盘上,阻尼线圈固定在轮轴上,轮轴与底盘通过弹簧主减震系统相连,在震动过程中磁体可在线圈内上下移动。则 ( )
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A.对调磁体的磁极,电磁减震系统就起不到减震效果
B.增多线圈匝数,不影响安培力的大小
C.只要产生震动,电磁减震系统就能起到减震效果
D.震动过程中,线圈中有感应电流,且感应电流方向不变
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解析:对调磁体的磁极,震动过程线圈仍会产生感应电流,不影响减震效果,故A错误,C正确;根据法拉第电磁感应定律E=n,线圈匝数越多,线圈产生的感应电动势越大,线圈中感应电流越大,电磁阻尼现象越明显,会影响安培力的大小,故B错误;震动过程中,线圈中磁通量的变化情况会根据磁体的靠近或者远离而不同,由楞次定律可知,感应电流方向也会随之改变,故D错误。
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4课时跟踪检测(十三) 涡流、电磁阻尼和电磁驱动
A级——基础达标
1．在下列所示的四种磁场中，能产生恒定感生电场的是( )
2．以下现象没有利用电磁阻尼现象的是( )
A．图1中，线圈能使振动的条形磁铁快速停下来
B．图2中，无缺口的铝管比有缺口的铝管能更快使强磁铁匀速运动
C．图3中，U形磁铁可以使高速转动的铝盘迅速停下来
D．图4中，转动把手时下面的闭合铜线框会随U形磁铁同向转动
3.某同学搬运如图所示的磁电式电流表时，发现表针晃动剧烈且不易停止。按照老师建议，该同学在两接线柱间接一根导线后再次搬运，发现表针晃动明显减弱且能很快停止。下列说法正确的是( )
A．未接导线时，表针晃动过程中表内线圈不产生感应电动势
B．未接导线时，表针晃动剧烈是因为表内线圈受到安培力的作用
C．接上导线后，表针晃动过程中表内线圈不产生感应电动势
D．接上导线后，表针晃动减弱是因为表内线圈受到安培力的作用
4．(2024·湖北高考)《梦溪笔谈》中记录了一次罕见的雷击事件：房屋被雷击后，屋内的银饰、宝刀等金属熔化了，但是漆器、刀鞘等非金属却完好(原文为：有一木格，其中杂贮诸器，其漆器银扣者，银悉熔流在地，漆器曾不焦灼。有一宝刀，极坚钢，就刀室中熔为汁，而室亦俨然)。导致金属熔化而非金属完好的原因可能为( )
A．摩擦 B．声波
C．涡流 D．光照
5．纯电动汽车是一种节能、环保的交通工具，它的制动能量回收系统通过能量回收再利用，可提高汽车对能量的利用效率。制动能量回收的原理是利用线圈在磁场中转动，将车辆制动时的部分动能转化为其他形式的能存储起来。关于制动能量回收，下列说法正确的是( )
A．制动能量回收利用了电磁感应现象
B．制动能量回收利用了电流的热效应
C．制动能量回收时，将车辆制动时的全部动能转化为内能
D．制动能量回收时，将车辆制动时的部分动能转化为重力势能
6.(2024·江苏南通期末)如图所示，把一铁块放入通电线圈内部，一段时间后，铁块就会“烧”得通红。下列说法中正确的是( )
A．铁块中产生了涡流
B．线圈接的是干电池
C．如果将木块放在线圈内部，木块可能会燃烧
D．铁块是否会“烧”得通红与线圈中电流是否变化无关
7.(多选)“电磁感应铝箔封口机”被广泛应用在医药、食品、化工等生产行业的产品封口环节中，如图所示为一手持式封口机，它的工作原理是：当接通电源时，内置线圈产生磁场，当磁感线穿过封口铝箔材料时，瞬间产生大量小涡流，致使铝箔自行快速发热，熔化复合在铝箔上的溶胶，从而粘贴在承封容器的封口处，达到迅速封口的目的。下列有关说法正确的是( )
A．封口材料可用普通塑料来代替铝箔
B．该封口机内置线圈中流过的是直流电
C．封口过程中温度过高，可适当减小所通电流的频率来解决
D．该封口机适用于玻璃、塑料等材质的容器封口但不适用于金属容器
8.安装在公路上的测速装置如图所示，在路面下方间隔一定距离埋设有两个通电线圈，线圈与检测抓拍装置相连。车辆从线圈上方通过时，线圈中会产生脉冲感应电流，检测装置根据两个线圈产生的脉冲信号的时间差计算出车速大小，从而对超速车辆进行抓拍。下列说法正确的是( )
A．汽车通过通电线圈上方时，两线圈产生的脉冲电流信号时间差越长，车速越大
B．汽车通过通电线圈上方时，汽车底盘的金属部件中会产生感应电流
C．当汽车从通电线圈上方匀速通过时，线圈中不会产生感应电流
D．以上说法都不对
9.如图所示是一个水平放置的玻璃圆环形小槽，槽内光滑，槽宽度和深度处处相同。现将一直径略小于槽宽的带正电小球放在槽中，让它获得一初速度v0，与此同时，有一变化的磁场垂直穿过玻璃圆环形小槽外径所对应的圆面，磁感应强度的大小随时间成正比例增大，方向竖直向下。设小球在运动过程中电荷量不变，则( )
A．小球受到的向心力大小不变
B．小球受到的向心力大小不断增大
C．洛伦兹力对小球做了功
D．小球受到的洛伦兹力大小与时间成正比
10.(多选)如图所示是某同学自制的简易磁力传动装置，铝制圆盘放置在可旋转底座上，圆盘正上方悬挂条形磁铁。关于该装置，从上往下看，说法正确的是( )
A．当条形磁铁顺时针转动时，铝制圆盘顺时针转动
B．当条形磁铁顺时针转动时，铝制圆盘逆时针转动
C．当条形磁铁的转速变快时，铝制圆盘转速也变快
D．当条形磁铁停止转动，铝制圆盘会立即停止运动
B级——综合应用
11.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其左右振动的衰减最有效的方案是( )
12.如图所示，一根长1 m左右的无缝空心铝管竖直放置，把一枚磁性比较强的小圆柱形永磁体从铝管上端放入管口，圆柱直径略小于铝管的内径。让磁体从管口处由静止下落，磁体在管内运动时，没有跟铝管内壁发生摩擦。有关磁体在铝管中下落的过程，下列说法可能正确的是( )
A．磁体做自由落体运动
B．磁体受到铝管中涡流的作用力方向先向上后向下
C．磁体受到的合力方向一直向下
D．磁体的机械能先增大后减小
13.(多选)如图所示为某种售货机硬币识别系统简图。虚线框内存在磁场，从入口A进入的硬币沿斜面滚落，通过磁场区域后，由测速器测出速度大小，若速度在某一合适范围，挡板B自动开启，硬币就会沿斜面进入接收装置；否则挡板C开启，硬币进入另一个通道拒绝接收。下列说法正确的是( )
A．磁场能使硬币的速度增大得更快
B．由于磁场的作用，硬币的机械能减小
C．硬币进入磁场的过程会受到来自磁场的阻力
D．如果没有磁场，则测速器示数会更大一些
14.电磁阻尼现象在日常生活中得到广泛应用，如汽车的减震悬架等。某车型的减震系统由两部分组成：一部分是机械弹簧主减震系统，另一部分是电磁辅助减震系统。装置示意图如图所示，强磁体固定在汽车底盘上，阻尼线圈固定在轮轴上，轮轴与底盘通过弹簧主减震系统相连，在震动过程中磁体可在线圈内上下移动。则( )
A．对调磁体的磁极，电磁减震系统就起不到减震效果
B．增多线圈匝数，不影响安培力的大小
C．只要产生震动，电磁减震系统就能起到减震效果
D．震动过程中，线圈中有感应电流，且感应电流方向不变
课时跟踪检测(十三)
1．选C 要产生恒定的感生电场，所产生的感应电动势一定是恒定的，由E＝n＝nS可知，磁场必须是均匀变化的，C正确。
2．选D 振动的条形磁铁使线圈中产生感应电流，感应电流对磁铁与线圈间的相对运动有阻碍作用，能使振动的条形磁铁快速停下来，这是利用了电磁阻尼现象，A不符合题意；磁铁通过无缺口的铝管时产生的感应电流较大，较大的感应电流对磁铁与铝管间的相对运动有较大的阻碍作用，能更快使强磁铁匀速运动，这是利用了电磁阻尼现象，B不符合题意；U形磁铁可以在高速转动的铝盘中产生感应涡电流，感应涡电流对铝盘与磁铁间的相对运动有阻碍作用，能使铝盘迅速停下来，这是利用了电磁阻尼现象，C不符合题意；转动把手时下面的闭合铜线框随U形磁铁同向转动，这是利用了电磁驱动现象，D符合题意。
3．选D 未接导线时，表针晃动过程中表内线圈中产生感应电动势，但不构成闭合回路，故表内线圈中不产生感应电流，不受安培力作用，A、B错误；接上导线后，表针晃动过程中表内线圈产生感应电动势，在闭合回路中产生感应电流，受到安培力的作用，是电磁阻尼的表现，C错误，D正确。
4．选C 雷击时，瞬时非均匀变化的电场产生变化的磁场，变化的磁场在金属内产生涡流，发热使金属熔化，C正确。
5．选A 汽车在制动刹车过程中，动能减小，减小的动能一部分以电能的形式存储，因此制动能量回收利用了电磁感应现象，将车辆的部分动能转化为电能，A正确。
6．选A 当线圈通入变化的电流时，在线圈内部会产生变化的磁场，而铁块放在线圈内部，则变化的磁场会在铁块内部形成涡流，而根据电流的热效应，铁块会被“烧”得通红，故A正确；干电池提供的是直流电，当线圈接干电池时，线圈中的电流恒定，将产生恒定的磁场，而根据电磁感应原理可知，恒定的磁场不能产生电场，则铁块中不能产生涡流，铁块也不会被“烧”得通红，故B、D错误；由于木块不是导体，因此木块放在线圈内部时，木块中不会有感应电流产生，木块也不可能会燃烧，故C错误。
7．选CD 由于封口机利用了电磁感应原理，故封口材料必须是金属类材料，内置线圈流过的是交流电，A、B错误；减小内置线圈中所通过电流的频率可以降低封口过程中产生的热量，即控制温度，C正确；封口材料应是金属类材料，但对应被封口的容器不能是金属，否则使金属容器发生涡流现象，使容器内温度升高，对容器内物体可能造成破坏，D正确。
8．选B 汽车通过线圈上方时，线圈中产生脉冲电流信号，车速越大，汽车通过两线圈间的距离所用的时间越短，即两线圈产生的脉冲电流信号时间差越短，故A错误；汽车通过通电线圈上方时，汽车底盘的金属部件通过线圈所产生的磁场，汽车底盘的金属部件的磁通量发生变化，在汽车底盘的金属部件中产生感应电流；当汽车从通电线圈上方匀速通过时，线圈中的磁通量发生变化，线圈中会产生感应电流，故B正确，C、D错误。
9．选B 当磁感应强度随时间均匀增大时，将产生一恒定的感生电场，由楞次定律结合安培定律知，感生电场的方向和小球初速度的方向相同，因小球带正电，电场力对小球做正功，小球速度逐渐增大，向心力也随着增大，A错误，B正确；洛伦兹力对运动电荷(小球)不做功，C错误；小球所受洛伦兹力F＝qBv，随着速率的增大而增大，同时B∝t，则F和t不成正比，D错误。
10．选AC 根据电磁驱动的原理可知，当条形磁铁顺时针转动时，铝制圆盘也顺时针转动，当磁铁的转速变快时，铝制圆盘转速也变快，故A、C正确，B错误；当条形磁铁停止转动，由于惯性铝制圆盘会继续转动，由于铝制圆盘转动过程中仍产生感应电流，所以圆盘会逐渐减速直至停止转动，D错误。
11．选A 在A图中，系统振动时，紫铜薄板随之上下、左右振动，在磁场中的部分有时多、有时少，穿过紫铜薄板的磁通量发生变化，紫铜薄板产生感应电流，受到的安培力阻碍系统的振动；在B、D图中，紫铜薄板只有左右振动才产生感应电流，而上下振动无电流产生；在C图中，无论紫铜薄板上下振动还是左右振动，都不会产生感应电流。故选A。
12．选C 由于是无缝空心铝管，故磁体下落时，会产生电磁感应，出现涡流，根据楞次定律可知，会产生阻力阻止磁体的下落。开始时，磁体的速度较小，受到的阻力小于重力，合力向下，当磁体的速度逐渐增大时，磁体所受阻力也增大，加速度减小。当空心铝管足够长时，磁体会先做加速度逐渐减小的加速运动，达到最大速度时，磁体所受阻力等于重力，做匀速直线运动，因此磁体不可能做自由落体运动，且磁体受到铝管中涡流的作用力方向一直向上，故A、B错误；当铝管长度有限时，磁体可能达不到最大速度就穿过了铝管，即该过程中磁体的合力方向一直向下，故C可能正确；由于一直存在阻力做负功，因此磁体的机械能一直减小，故D错误。
13．选BCD 硬币进入磁场和离开磁场时，穿过硬币的磁通量都发生变化，硬币中产生感应电流，硬币受到的安培力会阻碍硬币的运动，即硬币进入磁场的过程会受到来自磁场的阻力。若磁场阻力大于硬币重力沿斜面的分力，硬币将做减速运动；若磁场阻力等于硬币重力沿斜面的分力，硬币将匀速进入磁场；若磁场阻力小于硬币重力沿斜面的分力，硬币继续加速运动，但速度增加变慢。综上所述，A错误，C正确；安培力对硬币做负功，使硬币的机械能减小，故B正确；如果没有磁场，对硬币没有阻碍作用，由动能定理可知，硬币到达测速器位置时速度更大一些，故D正确。
14．选C 对调磁体的磁极，震动过程线圈仍会产生感应电流，不影响减震效果，故A错误，C正确；根据法拉第电磁感应定律E＝n，线圈匝数越多，线圈产生的感应电动势越大，线圈中感应电流越大，电磁阻尼现象越明显，会影响安培力的大小，故B错误；震动过程中，线圈中磁通量的变化情况会根据磁体的靠近或者远离而不同，由楞次定律可知，感应电流方向也会随之改变，故D错误。
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