人教版選修32 第四章 第7節(jié)　渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動 學(xué)案.doc

第7節(jié)渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動1.線圈中的電流變化時，線圈附近的導(dǎo)體中會產(chǎn)生渦流，渦流會產(chǎn)生熱量，因此在日常生活中，既要防止有害渦流，又要利用有益渦流。2導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動，感應(yīng)電流會使導(dǎo)體受到安培力阻礙其運(yùn)動，即為電磁阻尼。3磁場運(yùn)動時，在磁場中的導(dǎo)體內(nèi)會產(chǎn)生感應(yīng)電流，使導(dǎo)體受到安培力的作用而運(yùn)動起來，即為電磁驅(qū)動。一、渦流1定義由于電磁感應(yīng)，在導(dǎo)體中產(chǎn)生的像水中旋渦樣的感應(yīng)電流。2特點(diǎn)若金屬的電阻率小，渦流往往很強(qiáng)，產(chǎn)生的熱量很多。3應(yīng)用(1)渦流熱效應(yīng)：如真空冶煉爐、電磁爐(圖471)。圖471(2)渦流磁效應(yīng)：如探雷器、安檢門。4防止電動機(jī)、變壓器等設(shè)備中應(yīng)防止鐵芯中渦流過大而導(dǎo)致浪費(fèi)能量，損壞電器。(1)途徑一：增大鐵芯材料的電阻率。(2)途徑二：用相互絕緣的硅鋼片疊成的鐵芯代替整個硅鋼鐵芯。二、電磁阻尼和電磁驅(qū)動1電磁阻尼(1)概念：當(dāng)導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動時，感應(yīng)電流會使導(dǎo)體受到安培力，安培力的方向總是阻礙導(dǎo)體運(yùn)動的現(xiàn)象。(2)應(yīng)用：磁電式儀表中利用電磁阻尼使指針迅速停止到某位置，便于讀數(shù)。2電磁驅(qū)動(1)概念：磁場相對導(dǎo)體轉(zhuǎn)動時，導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流使導(dǎo)體受到安培力的作用，安培力使導(dǎo)體運(yùn)動起來的現(xiàn)象。(2)應(yīng)用：交流感應(yīng)電動機(jī)。1自主思考判一判(1)渦流也是一種感應(yīng)電流。()(2)導(dǎo)體中有渦流時，導(dǎo)體本身會產(chǎn)熱。()(3)利用渦流制成的探雷器可以探出“石雷”。()(4)電磁阻尼和電磁驅(qū)動均遵循楞次定律。()(5)電磁阻尼發(fā)生的過程中，存在機(jī)械能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化。()(6)電磁驅(qū)動時，被驅(qū)動的導(dǎo)體中有感應(yīng)電流。()2合作探究議一議(1)塊狀金屬在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動時，能否產(chǎn)生渦流？提示：不能。塊狀金屬在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動時，穿過金屬塊的磁通量不變，所以金屬塊中不產(chǎn)生渦流。(2)利用渦流加熱時，為什么使用高頻交流電源？提示：渦流就是感應(yīng)電流，使用高頻交流電源，能產(chǎn)生高頻變化的磁場，磁場中導(dǎo)體內(nèi)的磁通量的變化更迅速，產(chǎn)生的感應(yīng)電流更大，加熱效果更好。(3)電磁灶的原理是什么？提示：電磁灶是利用渦流原理制成的。它利用交變電流通過線圈產(chǎn)生交變磁場，從而在鐵質(zhì)鍋的底部產(chǎn)生無數(shù)強(qiáng)大的小渦流，使鍋體迅速發(fā)熱，然后加熱鍋內(nèi)的食物。對渦流的理解及應(yīng)用本質(zhì)電磁感應(yīng)現(xiàn)象條件穿過金屬塊的磁通量發(fā)生變化，并且金屬塊本身可自行構(gòu)成閉合回路特點(diǎn)整個導(dǎo)體回路的電阻一般很小，感應(yīng)電流很大產(chǎn)生(1)塊狀金屬放在變化的磁場中(2)塊狀金屬進(jìn)出磁場或在非勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動1.光滑曲面與豎直平面的交線是拋物線，如圖472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(qiáng)磁場中，磁場的上邊界是ya的直線(如圖中的虛線所示)。一個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，則金屬塊在曲面上滑動的過程中產(chǎn)生的焦耳熱總量是()圖472amgbb.mv2cmg(ba) dmg(ba)mv2解析：選d由初狀態(tài)到末狀態(tài)(金屬塊在磁場區(qū)域內(nèi)往復(fù)運(yùn)動)能量守恒。初狀態(tài)機(jī)械能e1mgbmv2末狀態(tài)機(jī)械能e2mga焦耳熱qe1e2mg(ba)mv2。2. (多選)高頻焊接原理示意圖，如圖473所示，線圈通以高頻交流電，金屬工件的焊縫中就產(chǎn)生大量焦耳熱，將焊縫熔化焊接，要使焊接處產(chǎn)生的熱量較大可采用()圖473a增大交變電流的電壓b增大交變電流的頻率c增大焊接縫的接觸電阻d減小焊接縫的接觸電阻解析：選abc增大交變電流的電壓和交變電流的頻率均可使電流的變化率增大，由en知，感應(yīng)電動勢和渦流均增大，焊接處的發(fā)熱功率增大，若增大焊接縫的接觸電阻，則焊接處的電壓、功率分配就越大，產(chǎn)生的熱量就會越大，故a、b、c均正確，d錯誤。3. (多選)如圖474所示是冶煉金屬的感應(yīng)爐的示意圖。高頻感應(yīng)爐中裝有待冶煉的金屬，當(dāng)線圈中通有電流時，通過產(chǎn)生渦流來熔化金屬。以下關(guān)于高頻感應(yīng)爐的說法中正確的是()圖474a高頻感應(yīng)爐的線圈中必須通有變化的電流，才會產(chǎn)生渦流b高頻感應(yīng)爐的線圈中通有恒定的電流，也可以產(chǎn)生渦流c高頻感應(yīng)爐是利用線圈中的電流產(chǎn)生的焦耳熱使金屬熔化的d高頻感應(yīng)爐是利用爐內(nèi)金屬中的渦流的熱效應(yīng)使金屬熔化的解析：選ad高頻感應(yīng)爐是在線圈中通入交流電，在爐內(nèi)的金屬中產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生的熱量使金屬熔化，交流電的頻率越高，產(chǎn)生的熱量越多，故a、d正確，b、c錯誤。電磁阻尼與電磁驅(qū)動的理解電磁阻尼電磁驅(qū)動不同點(diǎn)成因由導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動形成由磁場運(yùn)動形成效果安培力的方向與導(dǎo)體運(yùn)動方向相反，為阻力安培力的方向與導(dǎo)體運(yùn)動方向相同，為動力能量轉(zhuǎn)化導(dǎo)體克服安培力做功，其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能磁場能轉(zhuǎn)化為電能，通過安培力做功，電能轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體的機(jī)械能相同點(diǎn)兩者都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，導(dǎo)體受到的安培力都是阻礙導(dǎo)體與磁場的相對運(yùn)動典例 (多選)位于光滑水平面的小車上水平固定一螺線管，一個比螺線管長的條形磁鐵沿著螺線管的軸線以初速度v0穿入螺線管，并最終穿出， 如圖475所示，在此過程中()圖475a磁鐵做勻速直線運(yùn)動b磁鐵做減速運(yùn)動c小車向右做加速運(yùn)動d小車先加速后減速審題指導(dǎo)(1)“光滑水平面”說明小車運(yùn)動中不受摩擦力作用。(2)磁鐵穿過螺線管說明磁鐵相對螺線管運(yùn)動，屬于電磁驅(qū)動現(xiàn)象。解析磁鐵水平穿入螺線管時，螺線管中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，由楞次定律可知產(chǎn)生的感應(yīng)電流將阻礙磁鐵的運(yùn)動；同理，磁鐵穿出時，由楞次定律可知產(chǎn)生的感應(yīng)電流將阻礙磁鐵的運(yùn)動，故整個過程中，磁鐵做減速運(yùn)動，選項(xiàng)a錯誤，b正確。對于小車上的螺線管來說，螺線管受到的安培力方向始終為水平向右，這個安培力使螺線管和小車向右運(yùn)動，且一直做加速運(yùn)動，選項(xiàng)c正確，d錯誤。答案bc應(yīng)用楞次定律及其推廣含義可以快速求解電磁阻尼和電磁驅(qū)動類問題。 1.如圖476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(dāng)磁鐵逆時針轉(zhuǎn)動時，則()圖476a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)速比磁鐵大c線圈轉(zhuǎn)動時將產(chǎn)生感應(yīng)電流d線圈轉(zhuǎn)動時感應(yīng)電流的方向始終是abcda解析：選c本題考查電磁驅(qū)動和楞次定律。當(dāng)磁鐵逆時針轉(zhuǎn)動時，相當(dāng)于磁鐵不動而線圈順時針旋轉(zhuǎn)切割磁感線，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，故c對；當(dāng)線圈相對磁鐵轉(zhuǎn)過90時電流方向不再是abcda，d錯；由楞次定律的推廣含義可知，線圈將與磁極同向轉(zhuǎn)動，但轉(zhuǎn)動的角速度一定小于磁鐵轉(zhuǎn)動的角速度。如兩者的角速度相同，磁感線與線圈處于相對靜止，線圈不切割磁感線，無感應(yīng)電流產(chǎn)生，故a、b錯。2.如圖477所示，條形磁鐵用細(xì)線懸掛在o點(diǎn)。o點(diǎn)正下方固定一個水平放置的鋁線圈。讓磁鐵在豎直面內(nèi)擺動，下列說法中正確的是()圖477a磁鐵左右擺動一次，線圈內(nèi)感應(yīng)電流的方向改變2次b磁鐵始終受到感應(yīng)電流磁場的斥力作用c磁鐵所受到的感應(yīng)電流對它的作用力始終是阻力d磁鐵所受到的感應(yīng)電流對它的作用力有時是阻力有時是動力解析：選c磁鐵向下擺動時，根據(jù)楞次定律，線圈中產(chǎn)生逆時針方向感應(yīng)電流(從上面看)，并且磁鐵受到感應(yīng)電流對它的作用力為阻力，阻礙它靠近；磁鐵向上擺動時，根據(jù)楞次定律，線圈中產(chǎn)生順時針方向感應(yīng)電流(從上面看)，磁場受感應(yīng)電流對它的作用力仍為阻力，阻礙它遠(yuǎn)離，所以磁鐵在左右擺動一次過程中，電流方向改變3次，感應(yīng)電流對它的作用力始終是阻力，只有c項(xiàng)正確。3.如圖478所示，彈簧上端固定，下端掛一只條形磁鐵，使磁鐵上下振動，磁鐵的振動幅度不變。若在振動過程中把線圈靠近磁鐵，如圖所示，觀察磁鐵的振幅將會發(fā)現(xiàn)()圖478as閉合時振幅逐漸減小，s斷開時振幅不變bs閉合時振幅逐漸增大，s斷開時振幅不變cs閉合或斷開，振幅變化相同ds閉合或斷開，振幅都不發(fā)生變化解析：選as斷開時，磁鐵振動穿過線圈的磁通量發(fā)生變化，線圈中無感應(yīng)電流，振幅不變；s閉合時線圈中有感應(yīng)電流，磁鐵的機(jī)械能越來越少，振幅逐漸減小，選項(xiàng)a正確。1下列做法中可能產(chǎn)生渦流的是()a把金屬塊放在勻強(qiáng)磁場中b讓金屬塊在勻強(qiáng)磁場中做勻速運(yùn)動c讓金屬塊在勻強(qiáng)磁場中做變速運(yùn)動d把金屬塊放在變化的磁場中解析：選d渦流就是整個金屬塊中產(chǎn)生的感應(yīng)電流，所以產(chǎn)生渦流的條件就是在金屬塊中產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件，即穿過金屬塊的磁通量發(fā)生變化。而a、b、c中磁通量不變化，所以a、b、c錯誤，把金屬塊放在變化的磁場中時，穿過金屬塊的磁通量發(fā)生了變化，有渦流產(chǎn)生，所以d正確。2(多選)變壓器的鐵芯是利用薄硅鋼片疊壓而成，而不采用一整塊硅鋼，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)熱量解析：選bd渦流的主要效應(yīng)之一就是發(fā)熱，而變壓器的鐵芯發(fā)熱，是我們不希望出現(xiàn)的。所以不采用整塊硅鋼，而采用薄硅鋼片疊壓在一起，目的就是減小渦流，從而減小鐵芯的發(fā)熱量，進(jìn)而提高變壓器的效率。故b、d正確。3目前金屬探測器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種安檢、高考及一些重要場所，關(guān)于金屬探測器的下列有關(guān)論述中正確的是()a金屬探測器可用于月餅生產(chǎn)中，用來防止細(xì)小的金屬顆粒混入月餅餡中b金屬探測器能幫助醫(yī)生探測兒童吞食或扎到手腳中的金屬物，是因?yàn)樘綔y器的線圈中能產(chǎn)生渦流c使用金屬探測器時，應(yīng)該讓探測器靜止不動，探測效果會更好d能利用金屬探測器檢測考生是否攜帶手機(jī)等違禁物品，是因?yàn)樘綔y器的線圈中通有直流電解析：選a金屬探測器是通過其通有交流電的探測線圈，會在被探測的金屬中激起渦流，反射回探測線圈，從而改變原交流電的大小，起到探測作用。當(dāng)探測器相對于被測金屬發(fā)生移動時，探測器的線圈中的交流電產(chǎn)生的磁場相對變化較快，在金屬中產(chǎn)生的渦流會更強(qiáng)，檢測效果更好。故a正確。4. (多選)一塊銅片置于如圖1所示的磁場中，如果用力把這塊銅片從磁場中拉出或把它進(jìn)一步推入，在這兩個過程中有關(guān)磁場對銅片的作用力，下列敘述正確的是()圖1a拉出時受到阻力b推入時受到阻力c拉出時不受磁場力d推入時不受磁場力解析：選ab銅片無論被拉出還是被推入，由于電磁感應(yīng)，銅片中都會產(chǎn)生感應(yīng)電流，所受安培力阻礙相對運(yùn)動，產(chǎn)生電磁阻尼效果，所以a、b正確。5. (多選)圖2所示是電表中的指針和電磁阻尼器，下列說法中正確的是()圖2a2是磁鐵，在1中產(chǎn)生渦流b1是磁鐵，在2中產(chǎn)生渦流c該裝置的作用是使指針能夠轉(zhuǎn)動d該裝置的作用是使指針能很快穩(wěn)定解析：選ad1在磁鐵2中轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生渦流，受到安培力作用阻礙指針的轉(zhuǎn)動，使之能很快穩(wěn)定下來，故a、d正確。6下列磁場垂直加在圓盤上，不能產(chǎn)生渦流的是()解析：選a穩(wěn)定的磁場不能產(chǎn)生渦流。7.如圖3所示，在光滑絕緣水平面上，有一鋁質(zhì)金屬球以一定的初速度通過有界勻強(qiáng)磁場，則從球開始進(jìn)入磁場到完全穿出磁場過程中(磁場寬度大于金屬球的直徑)，小球()圖3a整個過程勻速運(yùn)動b進(jìn)入磁場過程中球做減速運(yùn)動，穿出過程做加速運(yùn)動c整個過程都做勻減速運(yùn)動d穿出時的速度一定小于初速度解析：選d小球在進(jìn)出磁場過程中穿過小球的磁通量發(fā)生變化，有渦流產(chǎn)生，要受到阻力。8. (多選)如圖4所示，閉合金屬環(huán)從曲面上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，曲面處在圖示磁場中，則()圖4a若是勻強(qiáng)磁場，環(huán)滾上的高度小于hb若是勻強(qiáng)磁場，環(huán)滾上的高度等于hc若是非勻強(qiáng)磁場，環(huán)滾上的高度等于hd若是非勻強(qiáng)磁場，環(huán)滾上的高度小于h解析：選bd若是勻強(qiáng)磁場，環(huán)中磁通量不變，無感應(yīng)電流產(chǎn)生，環(huán)的機(jī)械能守恒，a錯，b對；若為非勻強(qiáng)磁場，則環(huán)中磁通量變化，產(chǎn)生感生電流，機(jī)械能減少，c錯，d對。9.如圖5所示，蹄形磁鐵的兩極之間放置一個線圈abcd，磁鐵和線圈都可以繞oo軸轉(zhuǎn)動，當(dāng)磁鐵按圖示方向繞oo軸轉(zhuǎn)動時，線圈的運(yùn)動情況是()圖5a俯視，線圈順時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速與磁鐵相同b俯視，線圈逆時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速與磁鐵相同c線圈與磁鐵轉(zhuǎn)動方向相同，但轉(zhuǎn)速小于磁鐵的轉(zhuǎn)速d線圈靜止不動解析：選c當(dāng)磁鐵轉(zhuǎn)動時，由楞次定律知，線圈中有感應(yīng)電流產(chǎn)生，以阻礙磁通量的增加，即感應(yīng)電流的方向必定是使其受到的力矩的方向與磁鐵轉(zhuǎn)動方向相同，以減小磁通量的增加，因而線圈跟著轉(zhuǎn)起來，但轉(zhuǎn)速小于磁鐵的轉(zhuǎn)速。如果轉(zhuǎn)速相等，線圈中的磁通量不再變化，起“驅(qū)動”作用的安培力將消失。10.如圖6所示，一個銅質(zhì)圓環(huán)，無初速度地自位置下落到位置，若圓環(huán)下落時其軸線與磁鐵懸線重合，圓環(huán)面始終水平。位置與位置的高度差為h，則運(yùn)動時間()圖6a等于b大于c小于 d無法判定解析：選b由于電磁阻尼，阻礙銅質(zhì)圓環(huán)的下落，所以下落時間大于。11. (多選)如圖7所示，在蹄形磁鐵的兩極間有一可以自由轉(zhuǎn)動的銅盤(不計各種摩擦)，現(xiàn)讓銅盤轉(zhuǎn)動。下面對觀察到的現(xiàn)象描述及解釋錯誤的是()圖7a銅盤中沒有感應(yīng)電動勢、沒有感應(yīng)電流，銅盤將一直轉(zhuǎn)動下去b銅盤中有感應(yīng)電動勢、沒有感應(yīng)電流，銅盤將一直轉(zhuǎn)動下去c銅盤中既有感應(yīng)電動勢又有感應(yīng)電流，銅盤將很快停下d銅盤中既有感應(yīng)電動勢又有感應(yīng)電流，銅盤將越轉(zhuǎn)越快解析：選abd銅盤轉(zhuǎn)動時，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律及楞次定律知，盤中有感應(yīng)電動勢，也產(chǎn)生感應(yīng)電流，并且受到阻尼作用，機(jī)械能很快轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)而轉(zhuǎn)化為焦耳熱，銅盤將很快停下，故c對，a、b、d錯。12.如圖8所示，光滑弧形軌道和一足夠長的光滑水平軌道相連，水平軌道上方有一足夠長的金屬桿，桿上掛有一光滑螺線管a。在弧形軌道上高為h的地方，無初速度釋放一磁鐵b(可視為質(zhì)點(diǎn))，b下滑至水平軌道時恰好沿螺線管a的中心軸運(yùn)動，設(shè)a、b的質(zhì)量分別為m、m，若最終a、b速度分別為va、vb。圖8(1)螺線管a將向哪個方向運(yùn)動？(2)全過程中整個電路所消耗的電能是多少。解析：(1)磁鐵b向右運(yùn)動時，螺線管中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流產(chǎn)生電磁驅(qū)動作用，使得螺線管a向右運(yùn)動。(2)全過程中，磁鐵減少的重力勢能轉(zhuǎn)化為a、b的動能和螺線管中的電能，所以mghmva2mvb2e電。即e