4.7 渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng) 學(xué)案（人教版選修3-2）


1．當(dāng)線圈中的電流隨時(shí)間變化時(shí)，由于電磁感應(yīng)，在附近導(dǎo)體中產(chǎn)生像水中旋渦樣的感應(yīng)電流，把這種感應(yīng)電流叫渦流．利用渦流的熱效應(yīng)可進(jìn)行真空冶煉，利用它的磁效應(yīng)可進(jìn)行金屬探測(cè)．
2．當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，在導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流會(huì)使導(dǎo)體受到安培力，安培力的方向總是阻礙導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為電磁阻尼；當(dāng)磁場(chǎng)相對(duì)導(dǎo)體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在導(dǎo)體中會(huì)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而運(yùn)動(dòng)起來(lái)，這種現(xiàn)象稱為電磁驅(qū)動(dòng)．
3．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(chǎng)中
B．讓金屬塊在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中勻速運(yùn)動(dòng)
C．讓金屬塊在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做變速運(yùn)動(dòng)
D．把金屬塊放在變化的磁場(chǎng)中
答案　D
解析　渦流就是整個(gè)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(guò)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(cuò)誤；把金屬塊放在變化的磁場(chǎng)中時(shí)，穿過(guò)金屬塊的磁通量發(fā)生了變化，有渦流產(chǎn)生，所以D項(xiàng)正確．
4．磁電式儀表的線圈通常用鋁框當(dāng)骨架，把線圈繞在鋁框上，這樣做的目的是(　　)
A．防止渦流而設(shè)計(jì)的 B．利用渦流而設(shè)計(jì)的
C．起電磁阻尼的作用 D．起 電磁驅(qū)動(dòng)的作用
答案　BC
解析　線圈通電后，在安培力作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，鋁框隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，并切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流，就是渦流．渦流阻礙線圈的轉(zhuǎn)動(dòng)，使線圈偏轉(zhuǎn)后較快停下來(lái)．所以，這樣做的目的是利用渦流來(lái)起電磁阻尼的作用．

圖1
5．如圖1所示 ，光滑水平絕緣面上有兩個(gè)金屬環(huán)靜止在平面上，環(huán)1豎直，環(huán)2水平放置，均處于中間分割線上，在平面中間分割線正上方有一條形磁鐵，當(dāng)磁鐵沿中間分割線向右運(yùn) 動(dòng)時(shí)，下列說(shuō)法正確的是(　　)
A．兩環(huán)都向右運(yùn)動(dòng)
B．兩環(huán)都向左運(yùn)動(dòng)
C．環(huán)1靜止，環(huán)2向右運(yùn)動(dòng)
D．兩環(huán)都靜止
答案　C
解析　條形磁鐵向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，環(huán)1中磁通量保持為零不變，無(wú)感應(yīng)電流，仍靜止．環(huán)2中磁通量變化．根據(jù)楞次定律，為阻礙磁通量的變化，感應(yīng)電流的效果使環(huán)2向右運(yùn)動(dòng)．

【概念規(guī)律練】
知識(shí)點(diǎn)一　渦流及其應(yīng)用
1．如圖2所示，在一個(gè)繞有線圈的可拆變壓器鐵芯上分別放一小鐵鍋水和一玻璃杯水．給線圈通入電流，一段時(shí)間后，一個(gè)容器中水溫升高，則通入的電流與水溫升高的是(　　)


圖2
A．恒 定直流、小鐵鍋
B．恒定直流、玻璃杯
C．變化的電流、小鐵鍋
D．變化的電流、玻璃杯
答案　C
解析　通入恒定直流時(shí)，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)不變，不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，通入變化的電流，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)發(fā)生變化，在空間產(chǎn)生感生電場(chǎng)，鐵鍋是導(dǎo)體，感生電場(chǎng)在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦流，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使水溫升高；渦流是由變化的磁場(chǎng)在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的，所以玻璃杯中的水不會(huì)升溫．
點(diǎn)評(píng)　渦流是在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的，而且穿過(guò)回路的磁通量必須是變化的，此題能說(shuō)明電磁爐的原理．
2．機(jī)場(chǎng)的安檢門(mén)可以利用渦流探測(cè)人身上攜帶的金屬物品，安檢門(mén)中接有線圈，線圈中通以交變電流，關(guān)于 其工作原理，以下說(shuō)法正確的是(　　)
A．人身上攜帶的金屬 物品會(huì)被地磁場(chǎng)磁化，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流
B．人體在線圈交變電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并在金屬物品中產(chǎn)生感應(yīng)電流
C．線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)會(huì)在金屬物品中產(chǎn)生交變的感應(yīng)電流
D．金屬物品中感應(yīng)電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)會(huì)在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流
答案　CD
解析　一般金屬物品不一定能被磁化，且地磁場(chǎng)很弱，即使金屬被磁化磁性也很弱，作為導(dǎo)體的人體電阻很大，且一般不會(huì)與金屬物品構(gòu)成回路，故A、B錯(cuò)誤；安檢門(mén)利用渦流探測(cè)金屬物品的工作原理是：線圈中交變電流產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，使金屬物品中產(chǎn)生渦流，故C正確；該渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)又會(huì)在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，而線圈中交變電流的變化可以被檢測(cè)，故D項(xiàng)正確．
點(diǎn)評(píng)　金屬探測(cè)利用了渦流的磁效應(yīng)．
知識(shí)點(diǎn)二　電磁阻尼
3．有一個(gè)銅盤(pán)，輕輕撥動(dòng)它，能長(zhǎng)時(shí)間地繞軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)．如果在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 把蹄形磁鐵的兩極放在銅盤(pán)邊緣，但并不與銅盤(pán)接觸，如圖3所示，銅盤(pán)就能在較短時(shí)間內(nèi)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，分析這個(gè)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因．

圖3
答案　見(jiàn)解析
解析　銅盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)如果加上磁場(chǎng)，則在銅盤(pán)中產(chǎn)生渦流，磁場(chǎng)對(duì)這個(gè)渦流的作用力阻礙它的轉(zhuǎn)動(dòng)，故在較短的時(shí)間內(nèi)銅盤(pán)停止轉(zhuǎn)動(dòng)．
點(diǎn)評(píng)　當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中的感應(yīng)電流受到安培力的作用阻礙導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)，即安培力為電磁阻尼的阻力．
4. 如圖4所示，是稱為阻尼擺的示意圖，在輕質(zhì)桿上固定一金屬薄片，輕質(zhì)桿可繞上端O點(diǎn)為軸在豎直面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，一有界磁場(chǎng)垂直于金屬薄片所在的平面．使擺從圖中實(shí)線位置釋放，擺很快就會(huì)停止擺動(dòng)；若將擺改成梳齒狀，還是從同一位置釋放，擺會(huì)擺動(dòng)較長(zhǎng)的時(shí)間．試定性分析其原因．

圖4
答案　見(jiàn)解析
解析　第一種情況下，阻尼擺進(jìn)入有界磁場(chǎng)后，在金屬薄片中會(huì)形成渦流，渦流使金屬薄片受安培力的作用，阻礙其相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以會(huì)很快停下來(lái)；第二種情況下，將金屬擺改成梳齒狀，阻斷了渦流形成的回路，從而減弱了渦流，受到安培力的阻礙會(huì)比先前小得多，所以會(huì)擺動(dòng)較長(zhǎng)的時(shí)間．
點(diǎn)評(píng)　防止電磁阻尼的途徑為阻止或減弱渦流的產(chǎn)生．
知識(shí)點(diǎn)三　電磁驅(qū)動(dòng)
5．如圖5所示，讓一金屬圓盤(pán)接近磁鐵的兩極，但不接觸，使磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)，圓盤(pán)也會(huì)跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為“電磁驅(qū)動(dòng)”，請(qǐng)你說(shuō)明電磁驅(qū)動(dòng)的原理．

圖5
答案 　見(jiàn)解析
解析　當(dāng)蹄形磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，圓盤(pán)上不同位置的磁通量發(fā)生變化，因而圓 盤(pán)中會(huì)有渦流形成，該渦流的磁場(chǎng)阻礙磁通量的變化，使圓盤(pán)隨著磁鐵一起轉(zhuǎn)動(dòng)，但圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)速度比磁鐵慢．
點(diǎn)評(píng)　電磁驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力是渦流受到的安培力．
6．位于光滑水平面的小車(chē)上放置一螺線管，一個(gè)比螺線 管長(zhǎng)的條形磁鐵沿著螺線管的軸線以初速度v水平穿過(guò)，如圖6所示，在此過(guò)程中(　　)

圖6
A．磁鐵做勻速直線運(yùn)動(dòng)
B．磁鐵做減速運(yùn)動(dòng)
C．小車(chē)向右做加速運(yùn)動(dòng)
D．小車(chē)先加速后減速
答案　BC
解析　磁鐵水平穿入螺線管時(shí)，管中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，由楞次定律的擴(kuò)展知產(chǎn)生的相互作用力阻礙磁鐵的運(yùn)動(dòng)．同理，磁鐵穿出時(shí)產(chǎn)生的相互作用力也阻礙磁鐵的運(yùn)動(dòng)，故整個(gè)過(guò)程中，磁鐵做減速運(yùn)動(dòng)，選項(xiàng)B是正確的．
而對(duì)于小車(chē)上螺線管來(lái)說(shuō)，在此過(guò)程中，螺線管受到的安培力都是水平向右，這個(gè)安培力使小車(chē)向右運(yùn)動(dòng)，且一直做加速運(yùn)動(dòng)，C項(xiàng)對(duì)．
點(diǎn)評(píng)　發(fā)生電磁驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象時(shí)，磁場(chǎng)相對(duì)導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)，在導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流受到安培力作用而使導(dǎo)體 運(yùn)動(dòng)起來(lái)．
【方法技巧練】
渦流能量問(wèn) 題的處理 技巧
7．彈簧上端固定，下端懸掛一根磁鐵．將磁鐵托起到某一高度后放開(kāi)，磁鐵能上下振動(dòng)較長(zhǎng)時(shí)間才停下來(lái)．如圖7所示，如果在磁鐵下端放個(gè)固定的閉合線圈，使磁鐵上下振動(dòng)時(shí)穿過(guò)它，磁鐵就會(huì)很快地 停下來(lái)，解釋這個(gè)現(xiàn)象，并說(shuō)明此現(xiàn)象中能量轉(zhuǎn)化的情況．

圖7
答案　見(jiàn)解析
解析　當(dāng)磁鐵穿過(guò)固定的閉合線圈時(shí)，在閉合線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)會(huì)阻礙磁鐵向線圈靠近或離開(kāi)，也就使磁鐵振動(dòng)時(shí)除了空氣阻力外，還有線圈的磁場(chǎng)力作為阻力，克服阻力需要做的功較多，彈簧振子的機(jī)械能損失較快，因而會(huì)很快停下來(lái)．損失的機(jī)械能主要轉(zhuǎn)化為電能再轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．
方法總結(jié)　此題中渦流損耗了機(jī)械能．


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