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3　涡流　电磁阻尼　电磁驱动
[学习目标]　1.知道涡流的产生过程,了解涡流现象的利用和危害。2.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。3.了解电磁阻尼和电磁制动及其在生活和生产中的应用。4.了解电磁驱动及其在生活和生产中的应用。
探究新知
知识点一　涡流
1.定义:由于电磁感应,在大块金属中会形成感应电流,电流在金属块内组成闭合回路,很像水的漩涡,因此叫作涡电流,简称涡流。
2.涡流的热效应:大块金属沿涡流路径的电阻一般很小,不大的感应电动势就能在它内部形成强大的涡电流,释放出大量的焦耳热。
3.涡流的防止
为了降低涡流造成的损耗,变压器和电机中的铁芯都不用整块金属,而是用许多相互绝缘的薄硅钢片叠合而成的,如图所示。
4.涡流的利用
(1)高频感应炉。
①原理:如图,冶炼炉内装入被冶炼的金属,让高频交流电通过炉外缠绕的线圈,被冶炼的金属内部就产生很强的涡流,从而产生大量的热使金属熔化。
②优点:速度快,温度容易控制,能避免有害杂质混入被冶炼的金属中。
(2)电磁炉。
①原理:如图,当灶内励磁线圈通有交变电流时,形成交变磁场,交变的磁感线从铁磁材料制成的烹饪锅的锅底穿过,使锅底产生涡流,从而发热。
②优点:热效率高;使用方便、安全。
知识点二　电磁阻尼和电磁制动
1.电磁阻尼
(1)定义:当闭合电路中的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动时,导体中会产生感应电流,感应电流使导体受到安培力,安培力总是阻碍导体的运动,这种现象叫作电磁阻尼。
(2)应用:磁电式电表中利用电磁阻尼使指针迅速停下,便于读数。
2.电磁制动
(1)电磁制动:进行制动时,电动机与电源断开,并把电动机的线圈与制动电路连接成闭合回路,列车前进时带动电动机线圈转动,而产生感应电流,磁场对它的安培力起着制动的作用。
(2)优点:减少了机械磨损,同时使部分动能转化为电能。
知识点三　电磁驱动
1.定义:磁场相对于导体运动时,导体中产生涡流,磁场对导体内的涡流所施加的安培力阻碍它与磁体的相对运动,因而使导体跟着磁体运动起来,这种感应电流受到安培力使物体运动的现象称为电磁驱动。
2.应用:交流感应电动机。
新知检测
1.思考判断
(1)涡流是由整块导体发生的电磁感应现象,不遵从法拉第电磁感应定律。(　×　)
(2)通过增大铁芯材料的电阻率可以减小涡流。(　√　)
(3)变压器的铁芯用硅钢片叠成是为了减小涡流。(　√　)
(4)在电磁阻尼与电磁制动中安培力所起的作用本质相同。(　√　)
(5)在电磁阻尼与电磁驱动中安培力所起的作用相同。(　×　)
2.思维探究
(1)真空冶炼炉利用涡流来冶炼金属,在加热中,为什么使用高频的交流电源
(2)电磁驱动现象中,导体在安培力作用下的运动速度总要比磁场的运动速度慢一些,原因是什么
【答案】 (1)冶炼原理是利用感应电流产生的热量,使用高频交流电源,磁场变化快,磁场中导体内的磁通量变化更迅速,产生更大的感应电动势和感应电流,加热效果好。
(2)如果导体速度和磁场速度一样,则两者相对速度为零,感应电流便不会产生,这时的电磁驱动作用就会消失,所以导体速度总要比磁场速度慢一些。
要点一　对涡流的理解与应用
情境探究
乘坐飞机的乘客登机前都要接受安全检查。如图是一种手持式金属探测器,它一靠近金属体,就会发出报警声,这是为什么呢
【答案】 在探测器内有一线圈,线圈中通有高频交流电,因此线圈周围有着高频交变磁场。当探测器靠近金属体时,线圈的磁场在金属体中感应出涡电流,涡电流产生的磁场又会穿过线圈,改变线圈中的原磁场,使相关的电子线路发出报警声。
要点归纳
1.涡流的本质:电磁感应现象。
2.涡流产生的条件:穿过金属块的磁通量发生变化,并且金属块本身可自行构成闭合回路。
3.涡流的特点:当电流在金属块内自行构成闭合回路(产生涡流)时,由于整块金属的电阻很小,涡流往往很强,根据公式P=I2R知,热功率的大小与电流的平方成正比,故金属块的发热功率很大。
4.涡流中的能量转化:涡流现象中,其他形式的能转化成电能,并最终在金属块中转化为内能。如果金属块放在变化的磁场中,则磁场能转化为电能,最终转化为内能;如果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。
[例1] 为了研究电磁炉的工作原理,小方制作了一个简易装置。如图所示,将一根电线缠绕在铁芯外部,接通交流电源,放置在铁芯上方的不锈钢锅具开始发热。下述可以增大锅具的发热功率的办法是(　　)
[A] 增大交流电源的频率
[B] 把不锈钢锅换成砂锅
[C] 将电源换成电动势更大的直流电源
[D] 把线圈内部的铁芯去掉
【答案】 A
【解析】 当下方线圈通入交流电时,不锈钢锅具中会产生感应电动势,形成涡流而产生热量,增大交流电源的频率,即增大磁通量的变化率,使感应电动势增大,电流增大,热功率增大,故A正确;砂锅不是导体,把不锈钢锅换成砂锅,则不会产生涡流,不发热,故B错误;换成直流电源,恒定电流产生恒定的磁场,穿过不锈钢锅的磁通量不变,不锈钢锅中不会有感应电流,热功率为0,故C错误;把线圈内部的铁芯去掉,则磁场减弱,磁通量变化率减小,感应电动势减小,感应电流减小,热功率变小,故D错误。
[针对训练1] (2025·河南卷)如图,一金属薄片在力F作用下自左向右从两磁极之间通过。当金属薄片中心运动到N极的正下方时,沿N极到S极的方向看,下列图中能够正确描述金属薄片内涡电流绕行方向的是(　　)
　　　
[A] [B]
　　　
[C] [D]
【答案】 C
【解析】 根据题意,当金属薄片中心运动到N极正下方时,薄片右侧的磁通量在减小,左侧的磁通量在增大,由于两极间的磁场方向竖直向下,根据楞次定律和安培定则可知,薄片右侧的涡电流方向为顺时针,薄片左侧的涡电流方向为逆时针。故选C。
要点二　电磁阻尼与电磁驱动的比较
情境探究
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;当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有什么关系
【答案】 (1)变化。
(2)线圈内产生的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。
要点归纳
项目 电磁阻尼 电磁驱动
不 同 点 成因 由于闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时,导体中产生感应电流,从而使导体受到安培力 由于磁铁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 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
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而对外做功
相同点 两者都属于电磁感应现象
[例2] (多选)关于电磁驱动和电磁阻尼,下列说法正确的是(　　)
[A] 甲图中,当摇动手柄使得蹄形磁铁转动,铝框会同向转动,且和磁铁转得一样快
[B] 甲图中,当摇动手柄使得蹄形磁铁转动,铝框会同向转动,但转得比磁铁慢
[C] 乙图中,在蹄形磁铁两极间自由转动的铜盘,因为摩擦极小,所以能一直转动不会停下
[D] 乙图中,在蹄形磁铁两极间自由转动的铜盘,就算摩擦极小,也会因产生感应电流而很快停下
【答案】 BD
【解析】 由电磁驱动原理,题图甲中摇动手柄使得蹄形磁铁转动,则铝框会同向转动,且比磁铁转得慢,故A错误,B正确;在蹄形磁铁两极间自由转动的铜盘,就算摩擦极小,也会因产生感应电流,在电磁阻尼的作用下,很快停下,故C错误,D正确。
[针对训练2] 磁力刹车是游乐场中过山车采用的一种新型刹车装置,该刹车装置的原理图(从车后朝前看)如图所示,停车区的轨道两侧装有强力磁体,当过山车进入停车区时铜片从强力磁体间穿过,车很快停下来,关于该装置的刹车原理,下列判断错误的是(　　)
[A] 过山车进入停车区时其动能转化成电能
[B] 把铜片换成有机玻璃片,也能达到相同的刹车效果
[C] 过山车进入停车区的过程中两侧的铜片中会产生感应电流
[D] 过山车进入停车区的过程中铜片受到的安培力使过山车减速
【答案】 B
【解析】 过山车进入停车区时铜片从强力磁体间穿过,铜片切割磁感线产生感应电流,故C正确,不符合题意;铜片切割磁感线产生感应电流,停车区的轨道两侧安装的强力磁体产生的磁场对铜片有安培力的作用,铜片所受安培力是阻力,使过山车减速,故D正确,不符合题意;根据上述,铜片所受安培力是阻力,安培力做负功,可知过山车进入停车区时其动能转化成电能,故A正确,不符合题意;有机玻璃片不是导体,当其进入停车区从强力磁体间穿过时,不能发生电磁感应,达不到同样的刹车效果,故B错误,符合题意。
模型·方法·结论·拓展
可以产生涡流的两种情况
1.把块状金属放在变化的磁场中。
2.让块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动。
[示例] 有大小、厚度相同的两块铁质圆盘,现将一块分割成五条,各条间涂上绝缘材料,如图中乙所示,另一块甲完好,放在同一变化的磁场中,当磁场均匀增强时,下列说法正确的是(　　)
[A] 甲中只有感应电流没有涡流
[B] 乙和甲中涡流相同
[C] 甲比乙热效果好
[D] 乙中没有涡流产生
【答案】 C
【解析】 甲中的感应电流就是涡流,选项A错误;甲、乙均产生涡流,由于乙各条间绝缘,只有比较小的涡流,热效果差,选项B、D错误,C正确。
科学·技术·社会·环境
高频焊接
　　高频焊接是指利用高频电流流经工件接触面所产生的电阻热,并施加压力(或不施加压力),使金属工件形成连接的一种焊接方法。高频焊接与电阻焊接不同。高频焊接时,焊接电流仅在工件表面平行接触;电阻焊接的电流是垂直于焊接界面流动的。一般地,高频焊接的电源频率范围为300～450 kHz,电阻焊接则是使用50 kHz的高频电流。
　　高频焊接具有下列特点:
(1)由于电流高度集中于焊接区,加热速度极快,因此焊接速度可高达150～200 m/min。
(2)因焊接速度快,焊件自冷作用强,故不仅热影响区小,而且还不易发生氧化,因此焊缝的组织和性能十分优良。
(3)焊前焊件表面可以不进行清理工作,因而提高了效率。
(4)能焊的金属种类广,产品的形状、规格多。
[示例] (多选)如图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产生感应电流,感应电流通过焊缝处产生大量热量,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(　　)
[A] 交流电的频率越高,焊缝处的温度升高得越快
[B] 交流电的频率越低,焊缝处的温度升高得越快
[C] 工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻小
[D] 工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻大
【答案】 AD
【解析】 高频焊接利用高频交变电流产生高频交变磁场,在焊接的金属工件中产生感应电流,交流电频率越高,产生的感应电流越强,升温越快,故A正确,B错误;工件中各处电流相同,电阻大处产生的热量多,故C错误,D正确。
1.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,而是一种区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] 在硅钢中不能产生涡流
【答案】 A
【解析】 涡流就是一种感应电流,同样是由于磁通量的变化产生的,A正确,B错误;涡流既有磁效应也有热效应,C错误;硅钢中能产生涡流,D错误。
2.(多选)我国航天员在与某校进行的天地连线中示范了太空踩单车。太空自行车是利用电磁力增加阻力的一种体育锻炼器材。小华根据电磁学的相关知识,设计了这样的单车原理图:其中圆形结构为金属圆盘,当航天员踩脚踏板时,金属圆盘随之旋转。则下列设计中可行的方案有(　　)
　　　
[A] [B]
　　　
[C] [D]
【答案】 CD
【解析】 A中磁场充满整个圆盘,圆盘转动过程中产生的涡流为零,A错误,同理B也错误;C、D中将金属圆盘看成是由无数金属辐条组成,根据右手定则判断可知,圆盘上的感应电流流向边缘,所以靠近圆心处电势低,圆盘中磁场不对称,故有感应电流,同时会产生阻力,C、D正确。
3.如图所示是磁性式转速表及其原理图,关于磁性式转速表的电磁驱动原理,下列说法正确的是(　　)
[A] 铝盘接通电源,通有电流的铝盘在磁场作用下带动指针转动
[B] 永久磁体随转轴转动产生运动的磁场,在铝盘中产生感应电流,感应电流使铝盘受磁场力而转动
[C] 铝盘转动的方向与永久磁体转动方向相反
[D] 因为铝盘和永久磁体被同一转轴带动,所以两者转动是完全同步的
【答案】 B
【解析】 当永久磁体随转轴转动时,产生运动的磁场,在铝盘中会产生感应电流,这时永久磁体的磁场会对铝盘上的感应电流有力的作用,而产生一个转动的力矩,使指针转动,由于游丝的反力矩,会使指针稳定指在某一刻度上,A错误,B正确;该转速表运用了电磁感应原理,由楞次定律知,铝盘磁场总是阻碍永久磁体转动,要减小穿过铝盘的磁通量,永久磁体转动方向与铝盘转动方向相同,C错误;永久磁体固定在转轴上,铝盘固定在指针轴上,铝盘和永久磁体不是同一转轴带动,所以两者转动不是同步的,D错误。
课时作业
(分值:60分)
单选题每题4分,多选题每题6分。
基础巩固
1.下列关于电磁感应相关的现象说法正确的是(　　)
[A] 图甲中,当蹄形磁体顺时针转动(从上往下看)时,铝框将沿逆时针方向转动
[B] 图乙中,真空冶炼炉的炉外线圈通入高频交流电时,线圈会产生大量热量使金属熔化,从而冶炼金属
[C] 图丙中,磁电式仪表,把线圈绕在铝框骨架上,起到电磁阻尼的作用
[D] 图丁中,铜盘在转动过程中,当手持蹄形磁体靠近铜盘时,铜盘的转速不变
【答案】 C
【解析】 根据电磁驱动原理可知,当蹄形磁体顺时针转动(从上往下看)时,铝框也顺时针转动,A错误;真空冶炼炉的炉外线圈通入高频交流电时,周围空间产生高频磁场,炉内的金属内部会产生很强的涡流,从而冶炼金属,B错误;磁电式仪表,把线圈绕在铝框骨架上,线圈通电受力后带动铝框转动,铝框内产生涡流,在电磁阻尼的作用下,线圈很快停止摆动,C正确;铜盘在转动过程中,当手持蹄形磁体靠近铜盘时,铜盘中产生涡流,铜盘受到电磁阻尼作用,铜盘的转速变小,D错误。
2.如图所示是车站、机场等场所用于安全检查的安检门,“门框”内有线圈,线圈中通有变化的电流。如果金属物品通过安检门,金属中会被感应出涡流,涡流的磁场又反过来影响线圈中的电流,从而引起报警。下列关于安检的说法正确的是(　　)
[A] 安检门能检查出非金属违禁品
[B] 安检门能检查出旅客携带的金属水果刀
[C] 安检门工作时,主要利用了电流的热效应原理
[D] 如果“门框”的线圈中通上恒定电流,安检门也能正常工作
【答案】 B
【解析】 安检门利用涡流只能探测人身上携带的金属物品,故A错误,B正确;安检门工作时,主要利用了电磁感应原理和电流的磁效应,故C错误;根据工作原理可知,如果“门框”的线圈中通上恒定电流,安检门不能正常工作,故D错误。
3.为了使灵敏电流表的指针在零刻度附近快速停下,实验小组的同学利用“电磁阻尼”来实现。他们设计了如图所示的甲、乙两种方案。甲方案:在指针转轴上装上扇形铝板,磁场位于铝板中间;乙方案:在指针转轴上装上扇形铝框,磁场位于铝框中间。下列说法正确的是(　　)
[A] 甲方案中,铝板摆动时磁通量不变,不会产生感应电流
[B] 甲方案中,铝板摆动时能产生涡流,起到电磁阻尼的作用
[C] 乙方案中,铝框小幅度摆动时会产生感应电流
[D] 乙方案比甲方案更合理
【答案】 B
【解析】 甲方案中,铝板摆动时,扇形铝板的半径切割磁感线,在铝板内产生涡流,起到电磁阻尼的作用,指针能很快停下来,故A错误,B正确;乙方案中,当指针偏转角度较小时,铝框中磁通量不变,不能产生感应电流,起不到电磁阻尼的作用,指针不能很快停下,因此,甲方案更合理,C、D错误。
4.天气预报显示某地有阵风7级左右,山区阵风高达9级,并伴有沙尘暴,给人们的出行带来困难。该地某大厦上的电磁阻尼器出现了摆动,及时对大厦进行减振,示意图如图所示,下列说法正确的是(　　)
[A] 风速越大,导体板中磁通量变化率越小
[B] 风速越大,导体板内产生的感应电动势越小
[C] 风速越大,导体板内涡流越小
[D] 导体板内涡流对永磁体的电磁阻力是该大厦减振的原因
【答案】 D
【解析】 风速越大,永磁体与可摆动质量块摆动越厉害,导体板中磁通量变化率越大,由法拉第电磁感应定律可知,导体板中产生的感应电动势越大,产生的涡流也越大,A、B、C错误;导体板内的涡流对永磁体的电磁阻力是该大厦减振的原因,D正确。
5.如图,将一空的铝质易拉罐倒扣于笔尖上,在“”形木框两侧各固定一个强铷磁铁,用电钻控制木框匀速转动,发现木框虽然不与易拉罐接触,但易拉罐也会随木框转动。则下列说法正确的是(　　)
[A] 木框的转速总比易拉罐的大
[B] 易拉罐与木框的转动方向相反
[C] 易拉罐与木框保持相同的转速同方向转动
[D] 两个磁铁必须异名磁极相对
【答案】 A
【解析】 根据电磁驱动原理知,易拉罐与木框的转动方向相同,木框的转速总比易拉罐的大,A正确,B、C错误;两个磁铁异名磁极或同名磁极相对均可,在磁极附近的易拉罐导体中都会产生涡流,在磁场中受安培力使易拉罐跟着木框转动起来,D错误。
6.(10分)如图所示,质量为m=100 g 的铝环,用细线悬挂起来,环中央距地面高度h=0.8 m,有一质量为M=200 g的小磁铁(长度可忽略),以10 m/s的水平速度射入并穿过铝环,落地点距铝环原位置的水平距离为3.6 m,则磁铁与铝环发生相互作用时:(小磁铁穿过铝环后的运动看作平抛运动)
(1)铝环向哪边偏斜
(2)若铝环在磁铁穿过后速度为2 m/s,在磁铁穿过铝环的整个过程中,环中产生了多少电能 (g取 10 m/s2)
【答案】 (1)铝环向右偏　(2)1.7 J
【解析】 (1)由楞次定律可知,当小磁铁向右运动时,铝环向右偏斜(阻碍相对运动)。
(2)由磁铁穿过铝环飞行的水平距离可求出穿过后的速度v===9 m/s,
由能量守恒定律可得
E电=M-Mv2-mv′2=1.7 J。
能力提升
7.如图所示,水平放置的铝制圆盘与蹄形磁体的转轴在同一竖直线上,圆盘位于磁体上方,磁体以角速度ω0匀速旋转。下列说法正确的是(　　)
[A] 圆盘与磁体同方向旋转,且角速度大于ω0
[B] 圆盘与磁体反方向旋转,且角速度大于ω0
[C] 圆盘与磁体同方向旋转,且角速度小于ω0
[D] 圆盘与磁体反方向旋转,且角速度小于ω0
【答案】 C
【解析】 当磁体转动时,圆盘内产生感应电流,会阻碍圆盘与磁体之间的相对运动;根据楞次定律,感应电流会阻碍圆盘与磁体之间位置的变化,但不能阻止,所以圆盘将与磁体同方向旋转,但角速度小于ω0。C正确。
8.(多选)如图所示为某种售货机硬币识别系统简图。虚线框内存在磁场,从入口A进入的硬币沿斜面滚落,通过磁场区域后,由测速器测出速度大小,若速度在某一合适范围,挡板B自动开启,硬币就会沿斜面进入接收装置;否则挡板C开启,硬币进入另一个通道拒绝接收。下列说法正确的是(　　)
[A] 磁场能使硬币的速度增大得更快
[B] 由于磁场的作用,硬币的机械能不守恒
[C] 硬币进入磁场的过程会受到来自磁场的阻力
[D] 如果没有磁场,则测速器示数会更大一些
【答案】 BCD
【解析】 根据题意可知,硬币进入磁场和离开磁场时,穿过硬币的磁通量发生变化,硬币中产生感应电流,感应电流会阻碍硬币的相对运动,即硬币进入磁场的过程会受到来自磁场的阻力,若磁场阻力大于硬币重力沿斜面的分力,硬币将做减速运动,若磁场阻力等于硬币重力沿斜面的分力,硬币将匀速进入磁场,若磁场阻力小于硬币重力沿斜面的分力,硬币继续加速运动,但速度增加变慢,综上所述,磁场能使硬币的速度增大得变慢,故A错误,C正确;根据题意可知,硬币进入磁场和离开磁场时,穿过硬币的磁通量发生变化,硬币中产生感应电流,感应电流会阻碍硬币的相对运动,对硬币做负功,使硬币的机械能减小,故B正确;如果没有磁场,对硬币没有阻碍作用,由动能定理可知,硬币到达测速器位置时速度更大一些,故D正确。
9.如图是汽车上使用的电磁制动装置示意图。电磁制动是一种非接触的制动方式,其原理是当导体在通电线圈产生的磁场中运动时,会产生涡流,使导体受到阻碍运动的制动力。下列说法正确的是(　　)
[A] 制动过程中,导体不会产生热量
[B] 如果导体反向转动,此装置将不起制动作用
[C] 制动力的大小与线圈中电流的大小无关
[D] 线圈电流一定时,导体运动的速度越大,制动力就越大
【答案】 D
【解析】 制动过程会产生涡流,电流流过电阻时会产生热量,A错误;导体反向转动时仍然受到阻碍运动的制动力,B错误;线圈中电流越大,则产生的磁场越强,转盘转动产生的涡流越强,则制动器对转盘的制动力越大,C错误;线圈电流一定时,导体运动的速度越大,转盘转动产生的涡流越强,制动力就越大,D正确。
10.(多选)如图为某型号手持式封口机的照片,其机箱可提供高频交流电。使用时,只要将待封口的塑料罐拧上盖子,然后置于封口加热头的下方,按下电源开关,1～2 s盖子内层的铝箔瞬间产生高热,然后融合在瓶口上,达到封口的效果。下列有关说法合理的是(　　)
[A] 其封口加热头内部一定有电热丝
[B] 其封口加热头内部一定有高频线圈
[C] 该封口机的主要工作原理是电磁感应
[D] 铝箔产生高热的原因是热辐射
【答案】 BC
【解析】 由题意可知,该仪器使铝箔加热,并且与铝并没有直接接触,故应采用的是电磁感应现象;为了产生较强的涡流,加热头内部一定会有高频线圈,故选项B、C正确,A、D错误。
11.(10分)如图所示,光滑弧形轨道和一足够长的光滑水平轨道相连,水平轨道上方有一足够长的金属杆,杆上挂有一光滑螺线管A。在弧形轨道上高为h的地方,无初速度释放一磁铁B(可视为质点),B下滑至水平轨道时恰好沿螺线管A的中心轴运动,设A、B的质量分别为M、m,最终A、B速度分别为vA、vB。
(1)螺线管A将向哪个方向运动
(2)求全过程中整个电路所消耗的电能。
【答案】 (1)向右运动
(2)mgh-M-m
【解析】 (1)磁铁B向右运动时,螺线管中产生感应电流,感应电流产生电磁驱动作用,使得螺线管A向右运动。
(2)全过程中,磁铁减少的重力势能转化为A、B的动能和螺线管中的电能,故
mgh=M+m+E电,
即E电=mgh-M-m。(共42张PPT)
3　涡流　电磁阻尼　电磁驱动
[学习目标]　
1.知道涡流的产生过程,了解涡流现象的利用和危害。2.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。3.了解电磁阻尼和电磁制动及其在生活和生产中的应用。4.了解电磁驱动及其在生活和生产中的应用。
探究·必备知识
「探究新知」
知识点一　涡流
1.定义:由于电磁感应,在大块金属中会形成 ,电流在金属块内组成闭合回路,很像水的 ,因此叫作涡电流,简称涡流。
2.涡流的热效应:大块金属沿涡流路径的电阻一般 ,不大的感应电动势就能在它内部形成 的涡电流,释放出大量的焦耳热。
感应电流
漩涡
很小
强大
3.涡流的防止
为了降低涡流造成的损耗,变压器和电机中的铁芯都不用整块金属,而是用许多相互绝缘的 叠合而成的,如图所示。
薄硅钢片
4.涡流的利用
(1)高频感应炉。
①原理:如图,冶炼炉内装入被冶炼的金属,让高频 通过炉外缠绕的线圈,被冶炼的金属内部就产生很强的涡流,从而产生大量的热使金属熔化。
②优点: 快,温度容易控制,能 有害杂质混入被冶炼的金属中。
交流电
速度
避免
(2)电磁炉。
①原理:如图,当灶内励磁线圈通有交变电流时,形成 ,交变的磁感线从铁磁材料制成的烹饪锅的锅底穿过,使锅底产生涡流,从而发热。
②优点: 高;使用方便、安全。
交变磁场
热效率
知识点二　电磁阻尼和电磁制动
1.电磁阻尼
(1)定义:当闭合电路中的一部分导体在磁场中做 的运动时,导体中会产生感应电流,感应电流使导体受到安培力,安培力总是 导体的运动,这种现象叫作电磁阻尼。
(2)应用:磁电式电表中利用 使指针迅速停下,便于读数。
切割磁感线
阻碍
电磁阻尼
2.电磁制动
(1)电磁制动:进行制动时,电动机与电源 ,并把电动机的线圈与制动电路连接成 ,列车前进时带动电动机线圈转动,而产生 ,磁场对它的 起着制动的作用。
(2)优点:减少了机械磨损,同时使部分动能转化为电能。
断开
闭合回路
感应电流
安培力
1.定义:磁场相对于导体运动时,导体中产生涡流,磁场对导体内的涡流所施加的安培力 它与磁体的相对运动,因而使导体跟着磁体运动起来,这种感应电流受到 使物体运动的现象称为电磁驱动。
2.应用:交流感应电动机。
阻碍
知识点三　电磁驱动
安培力
「新知检测」
1.思考判断
(1)涡流是由整块导体发生的电磁感应现象,不遵从法拉第电磁感应定律。
(　 　)
(2)通过增大铁芯材料的电阻率可以减小涡流。(　 　)
(3)变压器的铁芯用硅钢片叠成是为了减小涡流。(　 　)
(4)在电磁阻尼与电磁制动中安培力所起的作用本质相同。(　 　)
(5)在电磁阻尼与电磁驱动中安培力所起的作用相同。(　 　)
×
√
√
√
×
2.思维探究
(1)真空冶炼炉利用涡流来冶炼金属,在加热中,为什么使用高频的交流电源
【答案】 (1)冶炼原理是利用感应电流产生的热量,使用高频交流电源,磁场变化快,磁场中导体内的磁通量变化更迅速,产生更大的感应电动势和感应电流,加热效果好。
(2)电磁驱动现象中,导体在安培力作用下的运动速度总要比磁场的运动速度慢一些,原因是什么
【答案】 (2)如果导体速度和磁场速度一样,则两者相对速度为零,感应电流便不会产生,这时的电磁驱动作用就会消失,所以导体速度总要比磁场速度慢一些。
突破·关键能力
要点一　对涡流的理解与应用
「情境探究」
乘坐飞机的乘客登机前都要接受安全检查。如图是一种手持式金属探测器,它一靠近金属体,就会发出报警声,这是为什么呢
【答案】 在探测器内有一线圈,线圈中通有高频交流电,因此线圈周围有着高频交变磁场。当探测器靠近金属体时,线圈的磁场在金属体中感应出涡电流,涡电流产生的磁场又会穿过线圈,改变线圈中的原磁场,使相关的电子线路发出报警声。
「要点归纳」
1.涡流的本质:电磁感应现象。
2.涡流产生的条件:穿过金属块的磁通量发生变化,并且金属块本身可自行构成闭合回路。
3.涡流的特点:当电流在金属块内自行构成闭合回路(产生涡流)时,由于整块金属的电阻很小,涡流往往很强,根据公式P=I2R知,热功率的大小与电流的平方成正比,故金属块的发热功率很大。
4.涡流中的能量转化:涡流现象中,其他形式的能转化成电能,并最终在金属块中转化为内能。如果金属块放在变化的磁场中,则磁场能转化为电能,最终转化为内能;如果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。
[例1] 为了研究电磁炉的工作原理,小方制作了一个简易装置。如图所示,将一根电线缠绕在铁芯外部,接通交流电源,放置在铁芯上方的不锈钢锅具开始发热。下述可以增大锅具的发热功率的办法是(　　)
[A] 增大交流电源的频率
[B] 把不锈钢锅换成砂锅
[C] 将电源换成电动势更大的直流电源
[D] 把线圈内部的铁芯去掉
A
【解析】 当下方线圈通入交流电时,不锈钢锅具中会产生感应电动势,形成涡流而产生热量,增大交流电源的频率,即增大磁通量的变化率,使感应电动势增大,电流增大,热功率增大,故A正确;砂锅不是导体,把不锈钢锅换成砂锅,则不会产生涡流,不发热,故B错误;换成直流电源,恒定电流产生恒定的磁场,穿过不锈钢锅的磁通量不变,不锈钢锅中不会有感应电流,热功率为0,故C错误;把线圈内部的铁芯去掉,则磁场减弱,磁通量变化率减小,感应电动势减小,感应电流减小,热功率变小,故D错误。
[针对训练1] (2025·河南卷)如图,一金属薄片在力F作用下自左向右从两磁极之间通过。当金属薄片中心运动到N极的正下方时,沿N极到S极的方向看,下列图中能够正确描述金属薄片内涡电流绕行方向的是(　　)
C
[A] [B] [C] [D]
【解析】 根据题意,当金属薄片中心运动到N极正下方时,薄片右侧的磁通量在减小,左侧的磁通量在增大,由于两极间的磁场方向竖直向下,根据楞次定律和安培定则可知,薄片右侧的涡电流方向为顺时针,薄片左侧的涡电流方向为逆时针。故选C。
要点二　电磁阻尼与电磁驱动的比较
「情境探究」
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;当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有什么关系
【答案】 (1)变化。
【答案】 (2)线圈内产生的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。
「要点归纳」
项目 电磁阻尼 电磁驱动
不 同 点 成因 由于闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线运动时,导体中产生感应电流,从而使导体受到安培力 由于磁铁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 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
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而对外做功
相同点 两者都属于电磁感应现象 [例2] (多选)关于电磁驱动和电磁阻尼,下列说法正确的是(　　 )
[A] 甲图中,当摇动手柄使得蹄形磁铁转动,铝框会同向转动,且和磁铁转得一样快
[B] 甲图中,当摇动手柄使得蹄形磁铁转动,铝框会同向转动,但转得比磁铁慢
[C] 乙图中,在蹄形磁铁两极间自由转动的铜盘,因为摩擦极小,所以能一直转动不会停下
[D] 乙图中,在蹄形磁铁两极间自由转动的铜盘,
就算摩擦极小,也会因产生感应电流而很快停下
BD
【解析】 由电磁驱动原理,题图甲中摇动手柄使得蹄形磁铁转动,则铝框会同向转动,且比磁铁转得慢,故A错误,B正确;在蹄形磁铁两极间自由转动的铜盘,就算摩擦极小,也会因产生感应电流,在电磁阻尼的作用下,很快停下,故C错误,D正确。
[针对训练2] 磁力刹车是游乐场中过山车采用的一种新型刹车装置,该刹车装置的原理图(从车后朝前看)如图所示,停车区的轨道两侧装有强力磁体,当过山车进入停车区时铜片从强力磁体间穿过,车很快停下来,关于该装置的刹车原理,下列判断错误的是(　　)
[A] 过山车进入停车区时其动能转化成电能
[B] 把铜片换成有机玻璃片,也能达到相同的刹车效果
[C] 过山车进入停车区的过程中两侧的铜片中会产生感应电流
[D] 过山车进入停车区的过程中铜片受到的安培力使过山车减速
B
【解析】 过山车进入停车区时铜片从强力磁体间穿过,铜片切割磁感线产生感应电流,故C正确,不符合题意;铜片切割磁感线产生感应电流,停车区的轨道两侧安装的强力磁体产生的磁场对铜片有安培力的作用,铜片所受安培力是阻力,使过山车减速,故D正确,不符合题意;根据上述,铜片所受安培力是阻力,安培力做负功,可知过山车进入停车区时其动能转化成电能,故A正确,不符合题意;有机玻璃片不是导体,当其进入停车区从强力磁体间穿过时,不能发生电磁感应,达不到同样的刹车效果,故B错误,符合题意。
提升·核心素养
「模型·方法·结论·拓展」
可以产生涡流的两种情况
1.把块状金属放在变化的磁场中。
2.让块状金属进出磁场或在非匀强磁场中运动。
[示例] 有大小、厚度相同的两块铁质圆盘,现将一块分割成五条,各条间涂上绝缘材料,如图中乙所示,另一块甲完好,放在同一变化的磁场中,当磁场均匀增强时,下列说法正确的是(　　)
[A] 甲中只有感应电流没有涡流
[B] 乙和甲中涡流相同
[C] 甲比乙热效果好
[D] 乙中没有涡流产生
C
【解析】 甲中的感应电流就是涡流,选项A错误;甲、乙均产生涡流,由于乙各条间绝缘,只有比较小的涡流,热效果差,选项B、D错误,C正确。
「科学·技术·社会·环境」
高频焊接
高频焊接是指利用高频电流流经工件接触面所产生的电阻热,并施加压力(或不施加压力),使金属工件形成连接的一种焊接方法。高频焊接与电阻焊接不同。高频焊接时,焊接电流仅在工件表面平行接触;电阻焊接的电流是垂直于焊接界面流动的。一般地,高频焊接的电源频率范围为300～450 kHz,电阻焊接则是使用50 kHz的高频电流。
高频焊接具有下列特点:
(1)由于电流高度集中于焊接区,加热速度极快,因此焊接速度可高达150～200 m/min。
(2)因焊接速度快,焊件自冷作用强,故不仅热影响区小,而且还不易发生氧化,因此焊缝的组织和性能十分优良。
(3)焊前焊件表面可以不进行清理工作,因而提高了效率。
(4)能焊的金属种类广,产品的形状、规格多。
[示例] (多选)如图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产生感应电流,感应电流通过焊缝处产生大量热量,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(　　 )
[A] 交流电的频率越高,焊缝处的温度升高得越快
[B] 交流电的频率越低,焊缝处的温度升高得越快
[C] 工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻小
[D] 工件上只有焊缝处温度升得很高是因为焊缝处的电阻大
AD
【解析】 高频焊接利用高频交变电流产生高频交变磁场,在焊接的金属工件中产生感应电流,交流电频率越高,产生的感应电流越强,升温越快,故A正确,B错误;工件中各处电流相同,电阻大处产生的热量多,故C错误,D正确。
检测·学习效果
1.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,而是一种区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] 在硅钢中不能产生涡流
A
【解析】 涡流就是一种感应电流,同样是由于磁通量的变化产生的,A正确,
B错误;涡流既有磁效应也有热效应,C错误;硅钢中能产生涡流,D错误。
2.(多选)我国航天员在与某校进行的天地连线中示范了太空踩单车。太空自行车是利用电磁力增加阻力的一种体育锻炼器材。小华根据电磁学的相关知识,设计了这样的单车原理图:其中圆形结构为金属圆盘,当航天员踩脚踏板时,金属圆盘随之旋转。则下列设计中可行的方案有(　　 )
　　　
[A] [B] [C] [D]
CD
【解析】 A中磁场充满整个圆盘,圆盘转动过程中产生的涡流为零,A错误,同理B也错误;C、D中将金属圆盘看成是由无数金属辐条组成,根据右手定则判断可知,圆盘上的感应电流流向边缘,所以靠近圆心处电势低,圆盘中磁场不对称,故有感应电流,同时会产生阻力,C、D正确。
3.如图所示是磁性式转速表及其原理图,关于磁性式转速表的电磁驱动原理,下列说法正确的是(　　)
[A] 铝盘接通电源,通有电流的铝盘在磁场作用下带动指针转动
[B] 永久磁体随转轴转动产生运动的磁场,在铝盘中产生感应电流,感应电流使铝盘受磁场力而转动
[C] 铝盘转动的方向与永久磁体转动方向相反
[D] 因为铝盘和永久磁体被同一转轴带动,所以两者转动是完全同步的
B
【解析】 当永久磁体随转轴转动时,产生运动的磁场,在铝盘中会产生感应电流,这时永久磁体的磁场会对铝盘上的感应电流有力的作用,而产生一个转动的力矩,使指针转动,由于游丝的反力矩,会使指针稳定指在某一刻度上,
A错误,B正确;该转速表运用了电磁感应原理,由楞次定律知,铝盘磁场总是阻碍永久磁体转动,要减小穿过铝盘的磁通量,永久磁体转动方向与铝盘转动方向相同,C错误;永久磁体固定在转轴上,铝盘固定在指针轴上,铝盘和永久磁体不是同一转轴带动,所以两者转动不是同步的,D错误。
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