第七节涡流学案

河北阜城中学高二物理第四章第七节涡流、电磁阻尼、电磁驱动组题：梅莲莲审核：阎志文日期：2011-10-07第七节：《涡流、电磁阻尼、电磁驱动》学案【学习目标】（1）、知道涡流是如何产生的（2）、知道涡流的利与弊，以及如何利用和防止涡流（3）、通过旧知识分析新问题弄清涡流的产生原因（3）、利用理论联系实际的方法加深理解涡流一、涡流定义块状金属放在变化的磁场中，或让它在磁场中运动，金属块内有感应电场产生，如果形成闭合回路，这时感生电场力可以在整块金属内部引起闭合涡旋状的感应电流，所以叫做涡电流。“涡电流”简称涡流。二、涡流的热效应当变压器的线圈中通过交变电流时，在铁芯内部有变化的磁场，因而产生感生电场，引起涡流。涡流在通过电阻时也要放出焦耳热。1．利用：利用的热效应进行加热的方法称为感应加热。而涡流的大小和磁通量变化率成正比，磁场变化的频率越高，导体里的涡流也越大。实际上,一般使用高频交流电激发涡流。如：A．高频焊接：线圈中通以高频交流电时，待焊接的金属工件中就产生感应电流（涡电流）。由于焊缝处的接触电阻很大，放出的焦耳热很多，致使温度升得很高，将金属熔化，焊接在一起。我国生产的自行车架就是用这种方法焊接的。B．高频感应炉高频感应炉利用涡流来熔化金属。图是冶炼金属的感应炉的示意图．冶炼锅内装入被冶炼的金属，线圈通上高频交变电流，这时被冶炼的金属中就产生很强的涡流，从而产生大量的热使金属熔化。这种冶炼方法速度快，温度容易控制，并能避免有害杂质混入被冶炼的金属中，因此适于冶炼特种合金和特种钢．C．电磁炉电磁炉的工作原理是采用磁场感应涡流加热原理，利用电流通过线圈产生磁场，当磁场内的磁力线通过铁质锅底时会产生无数的涡流使锅的本身自行高速发热，然后再作用于锅内食物。这种最新的加热方式，能减少热量传递的中间环节，可大大提升制热效率，比传统炉具（电炉、气炉）节省能源一半以上。2．防止：导体在非均匀磁场中移动或处在随时间变化的磁场中时，因涡流而导致能量损耗称为涡流损耗。涡流损耗的大小与磁场的变化方式、导体的运动、导体的几何形状、导体的磁导率和电导率等因素有关。变压器、电机铁芯中的涡流热效应不仅损耗能量，严重时还会使设备烧毁．为减少涡流，变压器、电机中的铁芯都是用很薄的硅钢片叠压而成。因为在导体中涡流的大小和电阻有关，电阻越大涡流越小。为了减小涡流造成的热损耗，电机和变压器的铁芯常采用多层彼此绝缘的硅钢片迭加而成(材料采用硅钢以增加电阻)。这些薄片表面涂有薄层绝缘漆或绝缘的氧化物。磁通穿过薄片的狭窄截面时，涡流被限制在沿各片中的一些狭小回路流过，这些回路中的净电动势较小，回路的长度较大，再由于这种薄片材料的电阻率大，这样就可以显著地减小涡流损耗。所以，交流电机、电器中广泛采用叠片铁心。三、涡流的磁效应1．电磁阻尼现象：把铜板做成的摆放到电磁铁的磁场中，当电磁铁未通电时，摆要往复多次，摆才能停止下来．如果电磁铁通电，磁场在摆动的铜板中产生涡流。涡流受磁场作用力的方向与摆动方向相反，因而增大了摆的阻尼，摆很快就能停止下来。这种现象称为电磁阻尼。2．应用：电磁仪表中的电磁阻尼器就是根据涡流磁效应制作的，在磁电式测量仪表中，常把使指针偏转的线圈绕在闭合铝框上，当测量电流流过线圈时，铝框随线圈指针一起在磁场中转动，这时铝框内产生的涡流将受到磁场作用力，抑止指针的摆动，使指针较快地稳定在指示位置上。此外，电气机车的电磁制动器也是根据这一效应制作的。四、涡流的机械效应----电磁驱动在磁场运动时带动导体一起运动，这种作用称为“电磁驱动”作用。当磁铁转动时，根据楞次定律此时在圆盘上将产生涡流，受到磁场的作用力将产生一个促使金属圆盘按磁场旋转方向发生转动的力矩。但是如果圆盘的转速达到了与磁场转速一样，则两者的相对速度为零，感应电流便不会产生，这时电磁驱动作用便消失。所以在电磁驱动作用下，金属圆盘的转速总要比磁铁或磁场的转速小，或者说两者的转速总是异步的。感应式异步电动机就是根据这个原理制成的。电磁驱动作用可用来制造测量转速的电表，这类转速表常称为磁性式转速表。用磁性式转速表测量转速时，将被测机器的转轴通过连接器和传动机构与转速表中的永久磁铁的转轴相连，永久磁铁一般是由一块充以四个极的磁钢制成，这便形成一个旋转磁场。在永久磁铁的上方有一个金属圆盘，称为感应片。感应片与永久磁铁间有很小的气隙，两者互不接触。当永久磁铁随着机器的转轴旋转时，感应片上将产生涡流。这涡流又将受到这旋转磁场的作用力，结果感应片被驱动，从而沿永久磁铁的旋转方向运动。感应片的转动将带动与感应片转轴相连的弹簧，将其扭紧，从而产生弹性恢复转矩。最后，当感应片转过一定的角度，由电磁驱动作用产生的转矩刚巧与弹性恢复的转矩抵消时，便达到一个暂时平衡状态。由机器带动转动的永久磁铁转速越快，感应片受到的电磁驱动作用所产生的转矩越大，因而指针的偏转角度就越大。这样，便可通过指针的偏转角度来显示机器的转速。方法点拨:涡流是由于变化的磁场产生电场,这种电场称为涡旋电场，这时涡旋电场力可以在整块金属内部引起涡电流。因此涡流的大小取决于回路电阻和磁场变化率河北阜城中学高二物理第四章第七节涡流、电磁阻尼、电磁驱动组题：梅莲莲审核：阎志文日期：2011-10-07MNPQ∷∷∷∷∷涡流【限时训练1】1如图所示，挂在弹簧下端的条形磁铁在闭合线圈内振动，如果空气阻力不计，则：（）A．磁铁的振幅不变B．磁铁做阻尼振动C．线圈中有逐渐变弱的直流电D．线圈中逐渐变弱的交流电2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3．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4．如图所示，一块长方形光滑铝板水平放在桌面上，铝板右端拼接一根与铝板等厚的条形磁铁，一质量分布均匀的闭合铝环以初速度v从板的左端沿中线向右端滚动，则（）A．铝环的滚动速度将越来越小B．铝环将保持匀速滚动C．铝环的运动将逐渐偏向条形磁铁的N极或S极D．铝环的运动速率会改变，但运动方向将不会发生改变5．如图所示，闭合金属环从曲面上h高处滚下，又沿曲面的另一侧上升，设环的初速为零，摩擦不计，曲面处在图示磁场中，则（）A．若是匀强磁场，环滚上的高度小于hB．若是匀强磁场，环滚上的高度等于hC．若是非匀强磁场，环滚上的高度等于hD．若是非匀强磁场，环滚上的高度小于h6．如图所示，圆形金属环竖直固定穿套在光滑水平导轨上，条形磁铁沿导轨以初速度v0向圆环运动，其轴线在圆环圆心，与环面垂直，则磁铁在穿过环过程中，做______运动．（选填“加速”、“匀速”或“减速”）7、用丝线悬挂闭合金属环，悬于O点，虚线左边有匀强磁场，右边没有磁场。金属环的摆动会很快停下来。试解释这一现象。若整个空间都有向外的匀强磁场，会有这种现象吗？8、如图所示，挂在弹簧下端的条形磁铁在闭合线圈内振动，如果空气阻力不计，则：（）A．磁铁的振幅不变B．磁铁做阻尼振动C．线圈中有逐渐变弱的直流电D．线圈中逐渐变弱的交流电9、如图所示为一光滑轨道，其中MN部分为一段对称的圆弧，两侧的直导轨与圆弧相切，在MN部分有如图所示的匀强磁场，有一较小的金属环如图放置在P点，金属环由静止自由释放，经很多次来回运动后，下列判断正确的有（）A、金属环仍能上升到与P等高处；B、金属环最终将静止在最低点；C、金属环上升的最大高度与MN等高处；D、金属环上升的最大高度一直在变小。10板的四周有许多带负电的小球，整个装置支撑起来.忽略各处的摩擦，当电源接通的瞬间，下列关于圆盘的说法中正确的是（）A.圆盘将逆时针转动B.圆盘将顺时针转动C.圆盘不会转动D.无法确定圆盘是否会动11.如图所示，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)，小球()A．整个过程匀速B．进入磁场过程中球做减速，穿出过程球做加速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12．如图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点轴在竖直面内转动，一水平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．河北阜城中学高二物理第四章第七节涡流、电磁阻尼、电磁驱动组题：梅莲莲审核：阎志文日期：2011-10-07涡流限时训练21.如图所示，一闭合的铜环从静止开始由高处下落通过条形磁铁后继续下落，空气阻力不计，则圆环在运动过程中，下列说法正确的是()A．圆环在磁铁的上方时，加速度小于g；圆环在磁铁的下方时，加速度大于gB．圆环在磁铁的上方时，加速度小于g；圆环在磁铁的下方时，加速度小于gC．圆环在磁铁的上方时，加速度大于g；圆环在磁铁的下方时，加速度等于gD．圆环在磁铁的上方时，加速度大于g；圆环在磁铁的下方时，加速度小于g2.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．a1a2＝gB．a3a1gC．a1＝a3a2D．a3a1a23.高频焊接原理示意图如图4－7－18所示，线圈通以高频交流电，金属工件的焊缝中就产生大量焦耳热，将焊缝熔化焊接，要使焊接处产生的热量较大可采用()A．增大交变电流的电压B．增大交变电流的频率C．增大焊接缝的接触电阻D．减小焊接缝的接触电阻4.如图所示是电表中的指针和电磁阻器，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5.如图所示，在一蹄形磁铁下面放一个铜盘，铜盘和磁铁均可以自由绕OO′轴转动，两磁极靠近铜盘，但不接触．当磁铁绕轴转动时，铜盘将()A．以相同的转速与磁铁同向转动B．以较小的转速与磁铁同向转动C．以相同的转速与磁铁反向转动D．静止不动6.甲、乙两个完全相同的铜环可绕固定轴OO′旋转，当给以相同的初始角速度开始转动后，由于阻力，经相同的时间后便停止；若将环置于磁感应强度B大小相同的匀强磁场中，甲环的转轴与磁场方向平行，乙环的转轴与磁场方向垂直，如图4－7－21所示，当甲、乙两环同时以相同的角速度开始转动后，则下列判断正确的是()A．甲环先停B．乙环先停C．两环同时停下D．无法判断两环停止的先后顺序7．如图所示，两个相同的轻质铝环套在一根水平光滑绝缘杆上，当一条形磁铁向左运动靠近两环时，两环的运动情况是()A．同时向左运动，间距变大B．同时向左运动，间距变小C．同时向右运动，间距变小D．同时向右运动，间距变大8．一个半径为r、质量为m、电阻为R的金属圆环，用一根长为L的绝缘细绳悬挂于O点，离O点下方L2处有一宽度为L4、垂直纸面向里的匀强磁场区域，如图所示．现使圆环从与悬点O等高位置A处由静止释放(细绳张直，忽略空气阻力)，摆动过程中金属环所在平面始终垂直磁场，则在达到稳定摆动的整个过程中金属环产生的热量是()A．mgLB．mg(L2＋r)C．mg(34L＋r)D．mg(L＋2r)9.如图4－7－24所示，质量为m＝100g的铝环，用细线悬挂起来，环中央距地面高度h＝0.8m，有一质量为M＝200g的小磁铁(长度可忽略)，以10m/s的水平速度射入并穿过铝环，落