2018-19学年高考物理主题三电磁感应及其应用3.1电磁感应3.1.7涡流电磁阻尼和电磁驱动学案.docx

3.1.7涡流、电磁阻尼和电磁驱动学习目标核心提炼1.了解涡流是怎样产生的。3种现象涡流、电磁阻尼和电磁驱动1个原理电磁感应1个关键点电磁阻尼和电磁驱动都是安培力作用，一是阻碍，一是驱动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。一、涡流1.定义：在变化的磁场中的导体内产生的感应电流，就像水中的漩涡，所以把它叫做涡电流，简称涡流。2.特点：若金属的电阻率小，涡流往往很强，产生的热量很多。3.应用(1)涡流热效应的应用：如真空冶炼炉。(2)涡流磁效应的应用：如探雷器、安检门。4.防止电动机、变压器等设备中为防止铁芯中涡流过大而导致浪费能量，损坏电器，应采取如下措施。(1)途径一：增大铁芯材料的电阻率。(2)途径二：用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯代替整块硅钢铁芯。思考判断(1)涡流也是一种感应电流。()(2)导体中有涡流时，导体没有和其他元件组成闭合回路，故导体不会发热。()(3)利用涡流制成的探测器也可探测毒品。()(4)涡流是一种有害的电磁感应现象。()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，导体中会产生感应电流，感应电流会使导体受到安培力，安培力总是阻碍导体运动的现象。(2)应用：磁电式仪表中利用电磁阻尼使指针迅速停下来，便于读数。2.电磁驱动(1)定义：磁场相对于导体转动时，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的现象。(2)应用：交流感应电动机。思维拓展一个闭合线圈放在蹄形磁铁的两磁极之间，如图1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；磁铁逆时针转动时，线圈也逆时针转动。图1(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？答案(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。线圈的转速小于磁铁的转速。涡流的理解、利用和防止要点归纳1.涡流的本质：电磁感应现象。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。(1)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。(2)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。精典示例例1 (多选)如图2所示是高频焊接原理示意图。线圈中通以高频变化的电流时，待焊接的金属工件中就会产生感应电流，感应电流通过焊缝处产生很多热量，将金属熔化，把工件焊接在一起，而工件其他部分发热很少，以下说法正确的是()图2A.电流变化的频率越高，焊缝处的温度升高的越快B.电流变化的频率越低，焊缝处的温度升高的越快C.工件上只有焊缝处温度升的很高是因为焊缝处的电阻小D.工件上只有焊缝处温度升的很高是因为焊缝处的电阻大解析电流变化的频率越高，则产生的感应电流越大，升温越快，故选项A正确，B错误；工件上各处电流相同，电阻大处产生的热量多，故选项C错误，D正确。答案AD涡流问题的三点注意(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)金属能够自身形成闭合回路，形成涡流。(3)磁场变化越快，导体的横截面积S越大，导体材料的电阻率越小，形成的涡流就越强。针对训练1 (多选)对变压器和电动机等中的涡流的认识，以下说法正确的是()A.涡流会使铁芯温度升高，减少线圈绝缘的寿命B.涡流发热，要损耗额外的能量C.为了不产生涡流，变压器和电动机的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯D.涡流产生于线圈中，对原电流起阻碍作用解析变压器和电动机中产生的涡流会使温度升高消耗能量，同时会减少线圈绝缘的寿命，选项A、B正确；变压器和电动机的铁芯用相互绝缘的硅钢片叠成的铁芯来代替整块硅钢铁芯是为了增加电阻，减小电流，减少产生的热量，选项C错误；涡流产生于铁芯中，对原电流无阻碍作用，选项D错误。答案AB对电磁阻尼和电磁驱动的理解要点归纳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而产生感应电流，从而使导体受到安培力效果安培力的方向与导体相对磁场运动方向相反，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精典示例例2 (多选)如图3所示，蹄形磁铁和矩形线圈均可绕竖直轴OO转动。从上向下看，当磁铁逆时针转动时，则()图3A.线圈将逆时针转动，转速与磁铁相同B.线圈将逆时针转动，转速比磁铁小C.线圈转动时将产生大小、方向周期性变化的电流D.线圈转动时感应电流的方向始终是abcda解析当磁铁逆时针转动时，相当于磁铁不动而线圈顺时针旋转切割磁感线，线圈中产生大小、方向周期性变化的电流，故选项C正确，D错误；由楞次定律可知，线圈将与磁铁同向转动，但转速一定小于磁铁的转速。如两者的转速相同，磁感线与线圈处于相对静止状态，线圈不切割磁感线，无感应电流产生。答案BC(1)由楞次定律的推广含义知，线圈的运动可以阻碍两者间的相对运动，所以其角速度必小于磁铁转动的角速度。(2)电磁驱动和电磁阻尼的联系：电磁驱动和电磁阻尼现象中安培力的作用效果均为阻碍导体间的相对运动。针对训练2 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4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其左右振动的衰减最有效的方案是()图4解析感应电流产生的条件是闭合回路中的磁通量发生变化。在A图中，系统震动时，紫铜薄板随之上下及左右振动，在磁场中的部分有时多有时少，磁通量发生变化，产生感应电流，受到安培力，阻碍系统的震动；在B、D图中，只有紫铜薄板左右振动才产生感应电流，而上下振动无电流产生；在C图中，无论紫铜薄板上下振动还是左右振动，都不会产生感应电流，故选项A正确，B、C、D错误。答案A1.(对涡流的理解)下列关于涡流的说法正确的是()A.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B.涡流不是感应电流，而是一种有别于感应电流的特殊电流C.涡流有热效应，但没有磁效应D.在硅钢片中不能产生涡流解析涡流的本质是电磁感应现象中产生的感应电流，只不过是由金属块自身构成回路，它既有热效应，也有磁效应，所以A正确，B、C错误；硅钢中产生的涡流较小，D错误。答案A2.(涡流的应用)(多选)安检门是一个用于安全检查的“门”，“门框”内有线圈，线圈里通有交变电流，交变电流在“门”内产生交变磁场，金属物品通过“门”时能产生涡流，涡流的磁场又反过来影响线圈中的电流，从而引起报警。以下关于这个安检门的说法正确的是()A.这个安检门也能检查出毒品携带者B.这个安检门只能检查出金属物品携带者C.如果这个“门框”的线圈中通上恒定电流，也能检查出金属物品携带者D.这个安检门工作时，既利用了电磁感应现象，又利用了电流的磁效应解析这个安检门是利用涡流工作的，因而只能检查出金属物品携带者，选项A错误，B正确；若“门框”的线圈中通上恒定电流，只能产生恒定磁场，它不能使块状金属产生电流，因而不能检查出金属物品携带者，C错误；安检门工作时，既利用了电磁感应现象，又利用了电流的磁效应，D正确。答案BD3.(对电磁阻尼的理解) (多选)如图5所示是电表中的指针和电磁阻尼器，下列说法正确的是()图5A.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解析当指针摆动时，1随之转动，2是磁铁，那么在1中产生涡流，2对1的安培力将阻碍1的转动；总之不管1向哪个方向转动，2对1的效果总起到阻尼作用，所以它能使指针很快地稳定下来，选项A、D正确。答案AD4.(对电磁驱动的理解)如图6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()图6A.两环都向右运动 B.两环都向左运动C.环1静止，环2向右运动 D.两环都静止解析条形磁铁向右运动时，环1中磁通量保持为零不变，无感应电流，仍静止；环2中磁通量变化，根据楞次定律，为阻碍磁通量的变化，感应电流的效果使环2向右运动。答案C基础过关1.(多选)下列对涡流的认识正确的是()A.大块金属中产生了涡流，但不一定产生了感应电动势B.涡流大小与穿过金属的磁通量的大小有关C.涡流的形成一定遵循法拉第电磁感应定律D.涡流也有电流的热效应解析涡流是电磁感应现象，遵循法拉第电磁感应定律。故C、D正确。答案CD2.(多选)如图1所示为新一代炊具电磁炉，无烟、无明火、不产生有害气体、无微波辐射、高效节能等是电磁炉的优点。电磁炉是利用电流通过线圈产生磁场，当磁场的磁感线通过含铁质锅底部时，会产生无数小涡流，使锅体本身自行高速发热，然后再加热锅内食物。下列相关说法正确的是()图1A.锅体中的涡流是由恒定的磁场产生的B.锅体中的涡流是由变化的磁场产生的C.恒定磁场越强，电磁炉的加热效果越好D.提高磁场变化的频率，可提高电磁炉的加热效果解析由电磁感应原理可知，锅体中的涡流是由变化的磁场产生的，且提高磁场变化的频率，产生的感应电动势变大，可提高电磁炉的加热效果，选项B、D正确。答案BD3.如图2所示，在一个绕有线圈的可拆变压器铁芯上分别放一小铁锅水和一玻璃杯水。给线圈通入电流，一段时间后，一个容器中水温升高，则通入的电流与水温升高的是()图2A.恒定直流、小铁锅B.恒定直流、玻璃杯C.变化的电流、小铁锅D.变化的电流、玻璃杯解析通入恒定直流时，所产生的磁场不变，不会产生感应电流，通入变化的电流，所产生的磁场发生变化，在空间产生感生电场，铁锅是导体，感生电场在导体内产生涡流，电能转化为内能，使水温升高；涡流是由变化的磁场在导体内产生的，所以玻璃杯中的水不会升温。故C正确。答案C4.(多选)用一根轻质细杆悬挂在O点的圆形导体环可以在竖直平面内来回摆动，空气阻力和摩擦力均不计，在如图3所示的虚线正方形区域有垂直于圆环的摆动面指向纸内的匀强磁场。下列说法正确的是()图3A.此摆开始摆动进入磁场时机械能不守恒B.导体环进入磁场和离开磁场时，环中感应电流的方向肯定相反C.导体环通过最低位置时，环中感应电流最大D.最后此摆在匀强磁场中摆动时，机械能守恒解析开始时导体环在进入和穿出磁场的过程中，有感应电流产生，部分机械能转化为电能，选项A正确；根据楞次定律，导体环在进入磁场和穿出磁场时感应电流方向相反，选项B正确；当导体环全部进入磁场时，无感应电流产生，在最低点时导体环的动能最大，选项C错误；最后导体环在磁场中摆动时，无感应电流产生，又不计阻力，故机械能守恒，选项D正确。答案ABD5.(多选)如图4所示，在线圈上端放置一盛有冷水的金属杯，现接通交流电源，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()图4A.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解题的关键是要弄清杯内水沸腾的原因和决定的因素。交变电流在铁芯中产生交变磁场，金属杯会产生感应电流而发热，从而使杯内水沸腾。增加线圈的匝数和提高交流电源的频率都可以增大金属杯产生的电流，可缩短加热时间，选项A、B正确；将金属杯换成瓷杯，变化磁场不能使它产生电流，也就不能使水加热，选项C错误；取走线圈中的铁芯，会减小周围的磁场，金属杯产生的电流会减小，从而增加水沸腾的时间，选项D错误。答案AB6.如图5所示，在光滑水平桌面上放一条形磁铁，分别将大小相同的铁球、铝球和木球放在磁铁的一端且给它们一个相同的初速度，让其向磁铁滚去，观察小球的运动情况是()图5A.都做匀速运动B.甲、乙做加速运动C.甲做加速运动，乙做减速运动，丙做匀速运动D.甲做减速运动，乙做加速运动，丙做匀速运动解析铁球将加速运动，其原因是铁球被磁化后与磁铁之间产生相互吸引的磁力。铝球将减速运动，其原因是铝球内产生了感应电流，感应电流的磁场阻碍相对运动。木球将匀速运动，其原因是木球既不能被磁化，也不能产生感应电流，所以磁铁对木球不产生力的作用。答案C7.弹簧上端固定，下端挂一条形磁铁，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6所示，观察磁铁的振幅将会发现()图6A.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，振幅变化相同D.S闭合或断开，振幅都不发生变化解析S断开时，磁铁振动穿过线圈的磁通量发生变化，但线圈中无感应电流，振幅不变；S闭合时有感应电流，有电能产生，磁铁的机械能越来越少，振幅逐渐减少，选项A正确。答案A能力提升8.如图7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()图7A.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.静止不动解析因磁铁的转动，在铜盘中产生感应电流，进而受安培力作用而发生转动，由楞次定律可知安培力的作用是阻碍相对运动，所以铜盘与磁铁同向转动，但铜盘转动速度小于磁铁的转动速度，所以选项B正确。答案B9.(多选)如图8所示，闭合金属环从光滑曲面上h高处滚下，又沿曲面的另一侧上升，设环的初速度为零，摩擦不计，曲面处在图中磁场中，则()图8A.若是匀强磁场，环上升的高度小于hB.若是匀强磁场，环上升的高度等于hC.若是非匀强磁场，环上升的高度等于hD.若是非匀强磁场，环上升的高度小于h解析若磁场为匀强磁场，穿过环的磁通量不变，不产生感应电流，即无机械能向电能转化，机械能守恒，故选项A错误，B正确；若磁场为非匀强磁场，环内要产生感应电流，有电能产生，机械能减少，故选项D正确。答案BD10.如图9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()图9A.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应与被测物体相对运动，相对静止时