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7涡流、电磁阻尼和电磁驱动学习目标素养提炼1.了解涡流是怎样产生的．2.了解涡流现象的利用和危害．3.通过对涡流实例的分析，了解涡流现象在生活和生产中的应用．4.了解电磁阻尼和电磁驱动.物理观念：涡流、电磁阻尼、电磁驱动．科学思维：通过涡流产生的分析，体会如何趋利避害．科学探究：电磁驱动和电磁阻尼的产生机制.01课前自主梳理02课堂合作探究03随堂演练达标04课后达标检测一、涡流1．定义由于，在导体中产生的像水中旋涡样的电流．2．特点若金属的电阻率小，涡流往往，产生的热量．3．应用(1)涡流热效应的应用：如．(2)涡流磁效应的应用：如、．电磁感应感应很强很多真空冶炼炉探雷器安检门4．防止电动机、变压器等设备中应防止铁芯中涡流过大而导致浪费能量，损坏电器．(1)途径一：增大铁芯材料的．(2)途径二：用相互绝缘的叠成的铁芯代替整块硅钢铁芯．[判断辨析](1)涡流跟平时常见的感应电流一样，都是因为穿过导体的磁通量变化而产生的．()(2)涡流有热效应，但没有磁效应．()(3)在硅钢中不能产生涡流．()××√电阻率硅钢片二、电磁阻尼和电磁驱动1．电磁阻尼(1)定义：当导体在磁场中运动时，会使导体受到安培力，安培力的方向总是导体的运动的现象．(2)应用：电学仪表中利用电磁阻尼使指针很快地，便于读数．2．电磁驱动(1)定义：如果磁场相对于导体转动，在导体中会产生感应电流，感应电流使导体受到的作用，使导体运动起来的现象．(2)应用：交流感应电动机．感应电流阻碍停下来安培力安培力[思考]用导线把微安表的两个接线柱连在一起后，晃动微安表时，表针摆动的幅度为什么比没连接接线柱时的小？提示：用导线把微安表的两个接线柱连接起来后，就形成了闭合回路，产生感应电流阻碍表针的相对运动，即发生电磁阻尼现象．要点一对涡流的理解[探究导入]电磁炉的锅具为什么用平底的铁锅？提示：在平底的铁锅底部产生涡流，从而使得锅底温度升高，起到加热做饭或炒菜的作用．1．对涡流的理解(1)本质：电磁感应现象．(2)条件：穿过金属块的磁通量发生变化，并且金属块本身构成闭合回路．(3)特点：整个导体回路的电阻一般很小，感应电流很大，故金属块的发热功率很大．2．产生涡流的两种情况(1)块状金属放在变化的磁场中．(2)块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动．3．产生涡流时的能量转化伴随着涡流现象，其他形式的能转化成电能最终在金属块中转化为内能．例如，金属块放在了变化的磁场中，则磁场能转化为电能，最终转化为内能；如果是金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动，则由于克服安培力做功，金属块的机械能转化为电能，最终转化为内能．[特别提醒](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．[典例1]在水平放置的光滑导轨上，沿导轨固定一个条形磁铁，如图所示，现有铜、铝和有机玻璃制成的滑块甲、乙、丙，使它们从导轨上的A点以同样的速度向磁铁滑去．各滑块在未接触磁铁前的运动情况是()A．都做匀速运动B．甲、乙做加速运动C．甲、乙做减速运动D．乙、丙做匀速运动[思路点拨]相对运动→磁通量变化→涡流→阻碍作用[解析]铜块、铝块向磁铁靠近时，穿过它们的磁通量发生变化，因此在其内部产生涡流，反过来涡流产生的感应磁场对原磁场的变化起阻碍作用，所以铜块和铝块向磁铁运动时会受阻碍而减速，有机玻璃为非金属，不产生涡流现象，故C正确．[答案]C[总结提升]减小电动机、变压器中的涡流影响的方法电动机、变压器的线圈都绕在铁芯上．线圈中流过变化的电流，在铁芯中产生的涡流使铁芯发热，浪费了能量，还可能损坏电器．我们可以采用以下两条途径减小涡流的影响：途径一是增大铁芯材料的电阻率，常用的铁芯材料是硅钢，它的电阻率比较大；途径二是用互相绝缘的硅钢片叠压的铁芯来代替整块硅钢铁芯．1．高频感应炉是用来熔化金属对其进行冶炼的，如图所示为冶炼金属的高频感应炉的示意图，炉内放入被冶炼的金属，线圈通入高频交变电流(电流的大小方向发生周期性变化)，这时被冶炼的金属就能被熔化，这种冶炼方法速度快，温度易控制，并能避免有害杂质混入被炼金属中，因此适于冶炼特种金属．该炉的加热原理是()A．利用线圈中电流产生的焦耳热B．利用线圈中电流产生的磁场C．利用交变电流的交变磁场在炉内金属中产生的涡流D．给线圈通电的同时，给炉内金属也通了电解析：高频感应炉的原理是：给线圈通以高频交变电流后，线圈产生高频变化的磁场，磁场穿过金属，在金属内产生涡流，由于电流的热效应，可使金属熔化，故只有C正确．答案：C2．(多选)电磁感应铝箔封口机被广泛应用在医药、食品、化工等生产行业的产品封口环节中，如图所示为一手持式封口机，它的工作原理是：当接通电源时，内置线圈产生磁场，当磁感线穿过封口铝箔材料时，瞬间产生大量小涡流，致使铝箔自行快速发热，熔化复合在铝箔上的溶胶，从而粘贴在承封容器的封口处，达到迅速封口的目的．下列有关说法正确的是()A．封口材料可用普通塑料来代替铝箔B．该封口机可用干电池作为电源以方便携带C．封口过程中温度过高，可适当减小所通电流的频率来解决D．该封口机适用于玻璃、塑料等多种材质的容器封口，但不适用于金属容器解析：由于封口机利用了电磁感应原理，故封口材料必须是金属类材料，而且电源必须是交流电，A、B错误；减小内置线圈中所通电流的频率可降低封口过程中产生的热量，即控制温度，C正确；封口材料应是金属类材料，但对应被封口的容器不能是金属，否则同样会熔化，只能是玻璃、塑料等材质，D正确．答案：CD要点二对电磁阻尼和电磁驱动的理解[探究导入]一个闭合线圈放在蹄形磁铁的两磁极之间，如图所示，蹄形磁铁和闭合线圈都可以绕轴转动．当蹄形磁铁顺时针转动时线圈也顺时针转动；蹄形磁铁逆时针转动时线圈也逆时针转动．(1)蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量是否变化？(2)线圈转动起来的动力是什么力？线圈的转动速度与磁铁的转动速度什么关系？提示：(1)变化．(2)线圈内产生感应电流受到安培力的作用，安培力作为动力使线圈转动起来．线圈的转动速度小于磁铁的转动速度．电磁阻尼与电磁驱动的比较电磁阻尼电磁驱动不同点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果效安培力的方向与导体运动方向相反，阻碍导体运动导体受安培力的方向与导体运动方向相同，推动导体运动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，从而对外做功相同点两者都是电磁感应现象，都遵循楞次定律，都是安培力阻碍引起感应电流的导体与磁场间的相对运动[特别提醒](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)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，应注意电磁驱动中阻碍的结果，导体的运动速度要小于磁场的运动速度．[典例2](多选)位于光滑水平面上的小车上放置一螺线管，一个比螺线管长的条形磁铁沿着螺线管的轴线水平穿过，如图所示，在此过程中()A．磁铁做匀速直线运动B．磁铁做减速运动C．小车向右做加速运动D．小车先加速后减速[思路点拨]明确两者相对运动情况→判断两者间相互作用力→判断运动情况[解析]若磁场相对于导体(或线圈或螺线管)运动，则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，由楞次定律、安培定则、左手定则可总结如下规律：感应电流所受安培力总是阻碍引起感应电流的导体与磁场间的相对运动．所以这个安培力驱动螺线管运动，阻碍磁铁运动，故B、C选项是正确的．[答案]BC[总结提升]从能量转化的情况看，电磁驱动过程是电能转化为机械能，而电磁阻尼过程是其他形式的能转化成电能，最终转化为内能．3．弹簧上端固定，下端挂一只条形磁铁，使磁铁上下振动，磁铁的振动幅度不变．若在振动过程中把线圈靠近磁铁，如图所示，观察磁铁的振幅将会发现()A．S闭合时振幅逐渐减小，S断开时振幅不变B．S闭合时振幅逐渐增大，S断开时振幅不变C．S闭合或断开，磁铁的振动幅度不变D．S闭合或断开，磁铁的振动幅度均发生变化解析：当S闭合后，线圈构成闭合回路，当条形磁铁竖直运动时，穿过线圈的磁通量发生变化，从而使线圈产生感应电流，由楞次定律可得，感应电流的磁场阻碍磁铁的运动，使振幅减小，不闭合线圈，不会产生感应电流，振幅不变，故A对，B、C、D错．答案：A4．扫描隧道显微镜(STM)可用来探测样品表面原子尺度上的形貌．为了有效隔离外界振动对STM的扰动，在圆底盘周边沿其径向对称地安装若干对紫铜薄板，并施加磁场来快速衰减其微小振动，如图所示．无扰动时，按下列四种方案对紫铜薄板施加恒磁场；出现扰动后，对于紫铜薄板上下及左右振动的衰减最有效的方案是()解析：由于要求有效衰减紫铜薄板的上下及左右的微小振动，则在紫铜薄板发生微小的上下或左右振动时，通过紫铜薄板横截面的磁通量应均能发生变化，由图可以看出，只有A图方案中才能使两方向上的微小振动得到有效衰减．答案：A电磁阻尼和电磁驱动在现实生活中的应用电磁阻尼和电磁驱动都是电磁感应现象的具体体现，都可利用楞次定律的广义表述——来拒去留来解释．(1)电磁阻尼的应用：电学测量仪表中的阻尼器——磁电式仪表、电气机车中的电磁制动器．(2)电磁驱动的应用：电动机、磁性转速表．5.如图所示，蹄形磁铁的两极之间放置一个线圈abcd，磁铁和线圈都可以绕OO′轴转动，当磁铁按图示方向绕OO′轴转动时，线圈的运动情况是()A．俯视，线圈顺时针转动，转速与磁铁相同B．俯视，线圈逆时针转动，转速与磁铁相同C．线圈与磁铁转动方向相同，但转速小于磁铁的转速D．线圈静止不动解析：当磁铁转动时，由楞次定律知，线圈中有感应电流产生，以阻碍磁通量的增加，即感应电流的方向必定是使其受到的力矩的方向与磁铁转动方向相同，以减小磁通量的增加，因而线圈跟着转起来，但转速小于磁铁的转速．如果转速相等，线圈中的磁通量不再变化，起“驱动”作用的安培力将消失，故C正确，A、B、D错误．答案：C1.(多选)如图所示，在线圈上端放置一盛有冷水的金属杯，现接通交流电流，过了几分钟，杯内的水沸腾起来．若要缩短上述加热时间，下列措施可行的有()A．增加线圈的匝数B．提高交流电源的频率C．将金属杯换为瓷杯D．取走线圈中的铁芯解析：当电磁铁接通交流电源时，金属杯处在变化的磁场中产生涡电流发热，使水温升高．要缩短加热时间，需增大涡电流，即增大感应电动势或减小电阻．增加线圈匝数、提高交变电流的频率都能增大感应电动势，瓷杯不能产生涡电流，取走铁芯会导致磁性减弱．所以选项A、B正确，选项C、D错误．答案：AB2．(多选)如图所示，磁电式仪表的线圈通常用铝框做骨架，把线圈绕在铝框上，这样做的目的是()A．防止涡流而设计的B．利用涡流而设计的C．起电磁阻尼的作用D．起电磁驱动的作用解析：线圈通电后，在安培力作用下发生转动，铝框随之转动，并切割磁感线产生感应电流，也就是涡流．涡流阻碍线圈的转动，使线圈偏转后尽快停下来．所以，这样做的目的是利用涡流来起电磁阻尼的作用．答案：BC3.如图所示，金属探测器已经广泛应用于安检场所，关于金属探测器的论述正确的是()A．金属探测器可用于食品生产，防止细小的砂石颗粒混入食品中B．金属探测器探测地雷时，探测器的线圈中产生涡流C．金属探测器探测金属时，被测金属中感应出涡流D．探测过程中金属探测器与被测物体相对静止与相对运动探测效果相同解析：金属探测器只能探测金属，不能用于食品生产，不能防止细小的砂石颗粒混入食品中，选项A错误；金属探测器探测金属时，被测金属中感应出涡流，选项B错误，C正确；探测过程中金属探测器与被测物体相对运动和相对静止时，磁通量的变化情况不同，探测效果不同，选项D错误．答案：C4.如图所示，光滑水平绝缘面上有两个金属环静止在平面上，环1竖直，环2水平放置，均处于中间分割线上，在平面中间分割线正上方有一条形磁铁，当磁铁沿中间分割线向右运动时，下列说法正确的是(