人教版選修32 第四章 第7節(jié)　渦流、電磁阻尼和電磁驅動 學案.doc

第7節(jié)渦流、電磁阻尼和電磁驅動1.線圈中的電流變化時，線圈附近的導體中會產生渦流，渦流會產生熱量，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導體在磁場中運動，感應電流會使導體受到安培力阻礙其運動，即為電磁阻尼。3磁場運動時，在磁場中的導體內會產生感應電流，使導體受到安培力的作用而運動起來，即為電磁驅動。一、渦流1定義由于電磁感應，在導體中產生的像水中旋渦樣的感應電流。2特點若金屬的電阻率小，渦流往往很強，產生的熱量很多。3應用(1)渦流熱效應：如真空冶煉爐、電磁爐(圖471)。圖471(2)渦流磁效應：如探雷器、安檢門。4防止電動機、變壓器等設備中應防止鐵芯中渦流過大而導致浪費能量，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、電磁阻尼和電磁驅動1電磁阻尼(1)概念：當導體在磁場中運動時，感應電流會使導體受到安培力，安培力的方向總是阻礙導體運動的現(xiàn)象。(2)應用：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電磁驅動(1)概念：磁場相對導體轉動時，導體中產生感應電流，感應電流使導體受到安培力的作用，安培力使導體運動起來的現(xiàn)象。(2)應用：交流感應電動機。1自主思考判一判(1)渦流也是一種感應電流。()(2)導體中有渦流時，導體本身會產熱。()(3)利用渦流制成的探雷器可以探出“石雷”。()(4)電磁阻尼和電磁驅動均遵循楞次定律。()(5)電磁阻尼發(fā)生的過程中，存在機械能向內能的轉化。()(6)電磁驅動時，被驅動的導體中有感應電流。()2合作探究議一議(1)塊狀金屬在勻強磁場中運動時，能否產生渦流？提示：不能。塊狀金屬在勻強磁場中運動時，穿過金屬塊的磁通量不變，所以金屬塊中不產生渦流。(2)利用渦流加熱時，為什么使用高頻交流電源？提示：渦流就是感應電流，使用高頻交流電源，能產生高頻變化的磁場，磁場中導體內的磁通量的變化更迅速，產生的感應電流更大，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生交變磁場，從而在鐵質鍋的底部產生無數(shù)強大的小渦流，使鍋體迅速發(fā)熱，然后加熱鍋內的食物。對渦流的理解及應用本質電磁感應現(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成閉合回路特點整個導體回路的電阻一般很小，感應電流很大產生(1)塊狀金屬放在變化的磁場中(2)塊狀金屬進出磁場或在非勻強磁場中運動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，假設曲面足夠長，則金屬塊在曲面上滑動的過程中產生的焦耳熱總量是()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)域內往復運動)能量守恒。初狀態(tài)機械能e1mgbmv2末狀態(tài)機械能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生大量焦耳熱，將焊縫熔化焊接，要使焊接處產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爐的示意圖。高頻感應爐中裝有待冶煉的金屬，當線圈中通有電流時，通過產生渦流來熔化金屬。以下關于高頻感應爐的說法中正確的是()圖474a高頻感應爐的線圈中必須通有變化的電流，才會產生渦流b高頻感應爐的線圈中通有恒定的電流，也可以產生渦流c高頻感應爐是利用線圈中的電流產生的焦耳熱使金屬熔化的d高頻感應爐是利用爐內金屬中的渦流的熱效應使金屬熔化的解析：選ad高頻感應爐是在線圈中通入交流電，在爐內的金屬中產生渦流，渦流產生的熱量使金屬熔化，交流電的頻率越高，產生的熱量越多，故a、d正確，b、c錯誤。電磁阻尼與電磁驅動的理解電磁阻尼電磁驅動不同點成因由導體在磁場中運動形成由磁場運動形成效果安培力的方向與導體運動方向相反，為阻力安培力的方向與導體運動方向相同，為動力能量轉化導體克服安培力做功，其他形式的能轉化為電能，最終轉化為內能磁場能轉化為電能，通過安培力做功，電能轉化為導體的機械能相同點兩者都是電磁感應現(xiàn)象，導體受到的安培力都是阻礙導體與磁場的相對運動典例 (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磁鐵做勻速直線運動b磁鐵做減速運動c小車向右做加速運動d小車先加速后減速審題指導(1)“光滑水平面”說明小車運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動，屬于電磁驅動現(xiàn)象。解析磁鐵水平穿入螺線管時，螺線管中將產生感應電流，由楞次定律可知產生的感應電流將阻礙磁鐵的運動；同理，磁鐵穿出時，由楞次定律可知產生的感應電流將阻礙磁鐵的運動，故整個過程中，磁鐵做減速運動，選項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動，且一直做加速運動，選項c正確，d錯誤。答案bc應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轉動。從上向下看，當磁鐵逆時針轉動時，則()圖476a線圈將逆時針轉動，轉速與磁鐵相同b線圈將逆時針轉動，轉速比磁鐵大c線圈轉動時將產生感應電流d線圈轉動時感應電流的方向始終是abcda解析：選c本題考查電磁驅動和楞次定律。當磁鐵逆時針轉動時，相當于磁鐵不動而線圈順時針旋轉切割磁感線，線圈中產生感應電流，故c對；當線圈相對磁鐵轉過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動，但轉動的角速度一定小于磁鐵轉動的角速度。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，無感應電流產生，故a、b錯。2.如圖477所示，條形磁鐵用細線懸掛在o點。o點正下方固定一個水平放置的鋁線圈。讓磁鐵在豎直面內擺動，下列說法中正確的是()圖477a磁鐵左右擺動一次，線圈內感應電流的方向改變2次b磁鐵始終受到感應電流磁場的斥力作用c磁鐵所受到的感應電流對它的作用力始終是阻力d磁鐵所受到的感應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，線圈中產生逆時針方向感應電流(從上面看)，并且磁鐵受到感應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，線圈中產生順時針方向感應電流(從上面看)，磁場受感應電流對它的作用力仍為阻力，阻礙它遠離，所以磁鐵在左右擺動一次過程中，電流方向改變3次，感應電流對它的作用力始終是阻力，只有c項正確。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，線圈中無感應電流，振幅不變；s閉合時線圈中有感應電流，磁鐵的機械能越來越少，振幅逐漸減小，選項a正確。1下列做法中可能產生渦流的是()a把金屬塊放在勻強磁場中b讓金屬塊在勻強磁場中做勻速運動c讓金屬塊在勻強磁場中做變速運動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生的感應電流，所以產生渦流的條件就是在金屬塊中產生感應電流的條件，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)廣泛應用于各種安檢、高考及一些重要場所，關于金屬探測器的下列有關論述中正確的是()a金屬探測器可用于月餅生產中，用來防止細小的金屬顆?；烊朐嘛烉W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，是因為探測器的線圈中能產生渦流c使用金屬探測器時，應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等違禁物品，是因為探測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生的磁場相對變化較快，在金屬中產生的渦流會更強，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一步推入，在這兩個過程中有關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，銅片中都會產生感應電流，所受安培力阻礙相對運動，產生電磁阻尼效果，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中產生渦流b1是磁鐵，在2中產生渦流c該裝置的作用是使指針能夠轉動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中轉動時產生渦流，受到安培力作用阻礙指針的轉動，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，不能產生渦流的是()解析：選a穩(wěn)定的磁場不能產生渦流。7.如圖3所示，在光滑絕緣水平面上，有一鋁質金屬球以一定的初速度通過有界勻強磁場，則從球開始進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整個過程勻速運動b進入磁場過程中球做減速運動，穿出過程做加速運動c整個過程都做勻減速運動d穿出時的速度一定小于初速度解析：選d小球在進出磁場過程中穿過小球的磁通量發(fā)生變化，有渦流產生，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，又沿曲面的另一側上升，設環(huán)的初速度為零，摩擦不計，曲面處在圖示磁場中，則()圖4a若是勻強磁場，環(huán)滾上的高度小于hb若是勻強磁場，環(huán)滾上的高度等于hc若是非勻強磁場，環(huán)滾上的高度等于hd若是非勻強磁場，環(huán)滾上的高度小于h解析：選bd若是勻強磁場，環(huán)中磁通量不變，無感應電流產生，環(huán)的機械能守恒，a錯，b對；若為非勻強磁場，則環(huán)中磁通量變化，產生感生電流，機械能減少，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軸轉動，當磁鐵按圖示方向繞oo軸轉動時，線圈的運動情況是()圖5a俯視，線圈順時針轉動，轉速與磁鐵相同b俯視，線圈逆時針轉動，轉速與磁鐵相同c線圈與磁鐵轉動方向相同，但轉速小于磁鐵的轉速d線圈靜止不動解析：選c當磁鐵轉動時，由楞次定律知，線圈中有感應電流產生，以阻礙磁通量的增加，即感應電流的方向必定是使其受到的力矩的方向與磁鐵轉動方向相同，以減小磁通量的增加，因而線圈跟著轉起來，但轉速小于磁鐵的轉速。如果轉速相等，線圈中的磁通量不再變化，起“驅動”作用的安培力將消失。10.如圖6所示，一個銅質圓環(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動的銅盤(不計各種摩擦)，現(xiàn)讓銅盤轉動。下面對觀察到的現(xiàn)象描述及解釋錯誤的是()圖7a銅盤中沒有感應電動勢、沒有感應電流，銅盤將一直轉動下去b銅盤中有感應電動勢、沒有感應電流，銅盤將一直轉動下去c銅盤中既有感應電動勢又有感應電流，銅盤將很快停下d銅盤中既有感應電動勢又有感應電流，銅盤將越轉越快解析：選abd銅盤轉動時，根據(jù)法拉第電磁感應定律及楞次定律知，盤中有感應電動勢，也產生感應電流，并且受到阻尼作用，機械能很快轉化為電能進而轉化為焦耳熱，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(可視為質點)，b下滑至水平軌道時恰好沿螺線管a的中心軸運動，設a、b的質量分別為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向右運動時，螺線管中產生感應電流，感應電流產生電磁驅動作用，使得螺線管a向右運動。(2)全過程中，磁鐵減少的重力勢能轉化為a、b的動能和螺線管中的電能，所以mghmva2mvb2e電。即e