（新课标）2020版高中物理 第四章 电磁感应 7 涡流、电磁阻尼和电磁驱动课件 选修3-2

4．7涡流、电磁阻尼和电磁驱动学习重点考查热度通过实例分析，理解涡流、电磁阻尼和电磁驱动的本质★★利用比较法区别电磁阻尼和电磁驱动★★★基础梳理一、涡流1．涡流的产生若在变化的磁场中有一块导体，由于电磁感应，导体内会产生感应电流，如图所示的虚线所示．这样的感应电流，看起来就像水中的旋涡，所以把它叫做涡电流，简称涡流．2．涡流的特点(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ΔBΔt越大，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．3．涡流的利用(1)真空冶炼炉内金属的电阻率小，涡流很强，产生的热量很多，可以用来冶炼合金钢．(2)探雷器也是利用涡流工作的．探雷器线圈中有变化的电流，线圈在地面扫过时，如果地面下埋着金属物品，金属中会产生涡流，涡流的磁场又会反过来影响线圈中的电流，使仪器报警．机场、车站和重要活动场所的安检门可以探测人身携带的金属物品也是这个原理．4．涡流的防止电动机、变压器的线圈都绕在铁芯上．当线圈中流过变化的电流时，在铁芯中会产生涡流，使铁芯发热，浪费能量，还可能损坏电器．因此，我们常采用硅钢这种电阻率比较大的材料，并且用互相绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯，以便增大电阻，减小涡流．二、电磁阻尼和电磁驱动1．电磁阻尼(1)产生：当导体在磁场中运动时，感应电流会使导体受到安培力，根据楞次定律，安培力总是阻碍导体的运动，于是产生电磁阻尼．电磁阻尼是一种十分普遍的物理现象，任何相对磁场运动的导体，只要有感应电流通过，就会存在电磁阻尼作用．(2)应用：电磁阻尼有不少应用．使用磁电式电表进行测量时，由于指针转动轴的摩擦力矩很小，若不采取措施，线圈及指针将会在所示值附近来回摆动，不易稳定下来．为此，许多电表把线圈绕在闭合的铝框上，当线圈摆动时，在闭合的铝框中将产生感应电流，从而获得电磁阻尼力矩，以使线圈迅速稳定在所示值的位置．电气列车中的电磁制动器也是根据电磁阻尼原理制成的．2．电磁驱动(1)电磁驱动的产生：如果磁场相对于导体运动，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，如图所示，当转动蹄形磁铁时，线圈也跟着转动起来，产生这种现象的原因就是电磁驱动．(2)电磁驱动的原因分析：当蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量就发生变化．例如，线圈处于所示的初始位置时，穿过线圈的磁通量为零，蹄形磁铁一转动，穿过线圈的磁通量就增加了．根据楞次定律，此时线圈中就有感应电流产生，以阻碍磁通量的增加，因而线圈会跟着同向转动起来．3．电磁阻尼与电磁驱动的理解(1)电磁阻尼、电磁驱动都是电磁感应现象，都遵循楞次定律；(2)在电磁阻尼、电磁驱动现象中，安培力的作用效果都是阻碍相对运动，应注意电磁驱动阻碍的结果中，导体的运动速度仍要小于磁场的运动速度；(3)在实际生活中，电磁驱动的应用很广，家庭中用的电能表，汽车上用的电磁式速度表以及感应电动机等，都是利用电磁驱动原理制成的．三、电磁炉的原理电磁炉又叫电磁灶，是利用电磁感应原理制成的新型炉具，基本结构和工作原理如图所示．当交变电流通过扁平的励磁线圈时，在其上下产生交变磁场，通过锅底的磁通量便发生变化，从而产生感应电动势．锅底的电阻很小，有很大的涡电流，从而产生热量，达到对食物加热的目的．电磁炉的加热是使锅底直接感应发热，所以锅的材料必须是像铁这样的磁性体，一般不能使用玻璃、陶瓷、铝、铜制的锅，但是可以在铝、铜锅底部包覆一层铁，来实现感应加热．巧妙的是，有人在玻璃锅底部刷上一层薄的银涂料，再用一层不导电的玻璃涂层保护，就可以起到铁锅底的作用．在采用不同的烹饪方法时，只要调整流过线圈的电流大小，就可以将温度调高调低．使用电磁炉时，在直径3m的范围内不要放置电视机、收音机和录像机，以防辐射．如图所示是描述电磁炉工作原理的示意图，电磁炉的内部有一个金属线圈，当交变电流通过线圈时会产生磁场，这个磁场的大小和方向是不断变化的，这个变化的磁场又会引起放在电磁炉上面的铁质(或钢质)锅底内产生感应电流，由于锅底有电阻，所以感应电流就会在锅底产生热效应，这些热能便起到加热锅内食物的作用．规律方法规律鸟瞰考点热度规律一：涡流的产生与应用★★★规律二：电磁阻尼和电磁驱动问题分析★★★规律一涡流的产生与应用电磁炉的特点是：电磁炉的效率比一般的炉子都高，热效率高达90%，炉面无明火，无烟无废气，火力强劲，安全可靠．因为电磁炉是以电磁感应产生电流，利用电流的热效应产生热量，所以不是所有的锅或烹饪器都适用．对于锅的选择，方法很简单，只要锅底能被磁铁吸引的一般都能用．适合放在电磁炉上的烹饪器有不锈钢锅、不锈钢壶、平底铁锅等；不适用的有陶瓷锅、圆底铁锅、耐热玻璃锅、铝锅、铜锅等．(1)在用电磁炉加热食物的过程中涉及的物理原理有(回答三条即可)：①________________________________________________；②________________________________________________；③_________________________________________________.(2)电磁炉不能用陶瓷锅、耐热玻璃锅的原因是__________________________________________________________________；电磁炉不能用铝锅、铜锅的原因是____________________________________________________________________________________________________________________________________.(3)在锅和电磁炉之间旋转一薄纸板，电磁炉还能起到加热的作用吗？为什么？________________________________________________________________________________________________________________________________________________【答案】(1)①电流的磁效应(或电生磁)②电磁感应现象(或磁生电)③电流的热效应(或焦耳定律)(2)不能产生电磁感应现象电阻率小，热效率低(3)能起到加热作用．因为线圈产生的磁场能穿透薄纸板到达锅底，在锅底产生感应电流，利用电流的热效应起到加热作用．(多选)如图所示是冶炼金属的感应炉的示意图．高频感应炉中装有待冶炼的金属，当线圈中通有电流时，通过产生涡流来熔化金属．以下关于高频感应炉的说法中正确的是()A．高频感应炉的线圈中必须通有变化的电流，才会产生涡流B．高频感应炉的线圈中通有恒定的电流，也可以产生涡流C．高频感应炉是利用线圈中的电流产生的焦耳热使金属熔化的D．高频感应炉是利用炉内金属中的涡流的热效应使金属熔化的【解析】变化的电流才能产生变化的磁场，引起磁通量的变化．产生感应电流(涡流)，恒定的电流不会使感应炉中的磁通量发生变化，待冶炼金属内不会产生涡流，A项正确，B项错误；当感应炉内装入待冶炼的金属时，会在金属中产生涡流，从而使金属熔化，高频感应炉不是利用线圈中的电流产生的焦耳热使金属熔化的，C项错误，D项正确．【答案】AD解答此类问题的关键是明确决定涡流大小的因素，电流变化得越快，产生的感应电动势越大，感应电流越大．由Q＝I2Rt可知，在电流相同的情况下，电阻越大，时间越长，产生的热量越多．规律二电磁阻尼和电磁驱动问题分析(多选)如图所示，A、B为大小、形状均相同且内壁光滑但用不同材料制成的圆管，现将两圆管竖直固定在相同高度，将两个带相同磁性的小球同时从A管和B管上端管口处无初速度释放，穿过A管的小球比穿过B管的小球先落到地面．下列对于两管的描述中可能正确的是()A．A管是用塑料制成的，B管是用铜制成的B．A管是用铝制成的，B管是用胶木制成的C．A管是用胶木制成的，B管是用塑料制成的D．A管是用胶木制成的，B管是用铝制成的【解析】磁性小球穿过金属圆管过程中，将圆管看作许多金属圆环，小球的磁场使每个圆环中产生感应电流，根据楞次定律可知，小球向下运动的加速度小于重力加速度；小球在非金属材料圆管中不会产生感应电流，小球仍然做自由落体运动．由以上分析可知，B管中的小球后落地，说明磁性小球使B管产生了涡流，即B管一定是用金属导体材料制成的．故A、D两项正确．【答案】AD某种超导磁悬浮列车是利用超导体的抗磁作用使列车车体向上浮起，同时通过周期性地变换磁极方向而获得推进动力．其推进原理可以简化为如图所示的模型：在水平面上相距b的两根平行直导轨间，有竖直方向等距离分布的匀强磁场B1和B2，且B1＝B2＝B，每个磁场的长都是a，相间排列，所有这些磁场都以速度v向右匀速运动．这时跨在两导轨间的长为a、宽为b的金属框MNQP(悬浮在导轨正上方)在磁场力作用下也将会向右运动．设金属框的总电阻为R，运动中所受到的阻力恒为f.求：(1)列车在运动过程中金属框产生的最大电流；(2)列车能达到的最大速度；(3)简述要使列车停下可采取哪些可行措施．【分析】电磁阻尼和电磁驱动问题的本质仍然是电磁感应．因此分析求解本题时，应把动生电动势跟相关力学知识结合起来．【解析】(1)开始时金属框产生的电流最大，设为Im，则由题意得Im＝2BbvR.(2)分析列车受力可得a＝F－fm，当列车速度增大时，安培力变小，加速度变小，当a＝0时，列车速度达到最大，有F＝f.而F＝2Bb2Bb（v－vm）R.解得vm＝v－Rf4B2b2.(3)切断电源、改变磁场的方向、增大阻力．【答案】(1)Im＝2BbvR(2)vm＝v－Rf4B2b2(3)见解析电磁阻尼电磁驱动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导体所受安培力的方向与导体运动方向相反，阻碍导体运动导体所受安培力的方向与导体运动方向相同，推动导体运动不同点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联系都属于电磁感应现象，电磁阻尼和电磁驱动中的安培力都是阻碍导体与磁体间的相对运动聚焦高考(1)基本考察点：涡流．(2)常考点及难点：涡流的应用．(3)题型及难度：选择题，难度中等偏易．1．(多选)(2015·课标全国Ⅰ)1824年，法国科学家阿拉果完成了著名的“圆盘实验”，实验中将一铜圆盘水平放置，在其中心正上方用柔软细线悬挂一枚可以自由旋转的磁针，如图所示，实验中发现，当圆盘在磁针的磁场中绕过圆盘中心的竖直轴旋转时，磁针也随着一起转动起来，但略有滞后，下列说法正确的是()A．圆盘上产生了感应电动势B．圆盘内的感应电流产生的磁场导致磁针转动C．在圆盘转动的过程中，磁针的磁场穿过整个圆盘的磁通量发生了变化D．圆盘中的自由电子随圆盘一起运动形成了电流，此电流产生的磁场导致磁针转动【解析】因为当磁体和导体之间的相对运动在导体内产生出了感应电流，而感应电流产生的磁力又会与磁体的磁力相互作用，从而使磁体一起转动起来，具体是当铜圆盘在小磁针的磁场中转动时，半径方向的金属条在切割磁感线，发生电磁感应现象，在铜圆盘的圆心和边缘之间产生感应电动势，A项正确；圆盘在径向的辐条切割磁感线过程中，内部距离圆心远近不同的点电势不等而形成感应电流即涡流(根据圆盘转向的不同以及磁极的不同，感应电流从轴心流向边缘或从边缘流向轴心)，而感应电流产生的磁力又会与小磁针的磁力相互作用，从而使小磁针一起转动起来，故B项正确；圆盘转动过程中，圆盘位置、圆盘面积和磁场都没有发生变化，故磁场穿过整个圆盘的磁通量没有变化，C项错误；圆盘本身呈中性，不会产生环形电流，D项错误．【答案】AB2．(2015·江苏)某同学探究小磁铁在铜管中下落时受电磁阻尼作用的运动规律，实验装置如图所示，打点计时器的电源