资源简介

2.3　涡流　电磁阻尼　电磁驱动
学习目标
1.通过任务1及其活动,知道涡流产生的原因及涡流在生活中的应用。(科学思维、科学态度和社会责任感)
2.通过任务2及其活动,知道电磁阻尼的原理及电磁阻尼在生活中的应用。(科学思维、科学态度和社会责任感)
3.通过任务3及其活动,知道电磁驱动的原理及电磁驱动在生活中的应用。(科学思维、科学态度和社会责任感)
【自主预习·悟新知】
思考并回答问题。
思考1:在磁场变化一定的情况下,如何减少金属块涡流带来的能量损耗


思考2:取一只微安表,用手晃动表壳,观察表针相对表盘摆动的情况。用导线把微安表的两个接线柱连在一起,再次晃动表壳,表针相对表盘的摆动情况与刚才有什么不同 微安表的表头在运输时为何把两个接线柱连在一起
正确的打“√”,错误的打“×”。
(1)真空冶炼炉线圈中通较大的恒定电流,才能使炉中金属容易熔化。 (　　)
(2)涡流都是有害的,我们都应想方设法减小涡流。 (　　)
(3)电磁阻尼的本质是感应电流所受的安培力总要阻碍磁场与导体间的相对运动。 (　　)
(4)电磁阻尼,说明能量在消失。 (　　)
【合作探究·提素养】
任务1　涡流
　　涡电流是法国物理学家傅科发现的,所以也叫作傅科电流。在现实生活中,交变电流附近的导体涡电流广泛存在。但我们通常不希望涡流产生较多的热量,因为这会损耗大量的电能而且可能烧坏设备。
1.如图所示,为什么在A、C之间接入交变电流,铁芯中会产生涡电流
2.为什么金属块中的涡电流常常很大


3.真空冶炼炉的工作原理是什么 有什么优点


4.如图所示,电磁炉的工作原理是什么
涡流
(1)由于①　　,在整块导体中产生的像水中漩涡的②　　。
(2)由于整块金属的电阻很小,涡流往往③　　,产生的热量很多。
(3)涡流热效应的应用:如④　　、电磁炉等。
如何减小涡流的危害
一个常见的小型变压器如图所示,拆开后发现其铁芯是由许多互相绝缘的薄硅钢片叠压而成的,为什么不用整块金属呢
金属探测器的原理
高考考场用的金属探测器是一根长的黑色扁棒,使用时监考教师手持探测器,在考生前后左右和容易藏东西的部位划过,如藏有金属物品,即便是一粒金属纽扣,探测器也会鸣响。金属探测器的原理是什么


应用　涡流的应用
(多选)高频焊接原理示意图如图所示。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,感应电流通过焊缝产生大量热,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.电流变化的频率越高,焊缝处的温度升高得越快
B.电流变化的频率越低,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
电流频率升高,感应电流怎样变化 电阻大处发热多还是电阻小处发热多

任务2　电磁阻尼和电磁制动
演示实验:如图所示,弹簧下端悬挂一根磁铁,将磁铁托起到某高度后释放,观察磁铁振动情况,然后在磁铁下端放一固定线圈,再将磁铁托起到同一高度释放,观察磁铁的振动情况。思考并回答下列问题。
1.两次磁铁振动情况有什么不同


2.请解释上面两个实验不同结果的原因。


3.我们再来分析如图所示的情形,当线圈一部分进入磁场中时,AB边会产生什么方向的感应电流 线圈的AB边受到什么方向的安培力
电磁阻尼:当导体在磁场中运动时,感应电流会使导体受到安培力,安培力的方向总是⑤　　(选填“促进”或“阻碍”)导体的运动,这种现象称为电磁阻尼。
电磁阻尼的应用——磁电式仪表
如图,磁电式仪表的线圈常常用铝框做骨架,把线圈围绕在铝框上。假定仪表工作时指针向右转动,铝框中的感应电流沿什么方向 由于铝框转动时其中有感应电流,铝框要受到安培力,安培力是沿什么方向的 安培力对铝框的转动产生什么影响 使用铝框做线圈骨架有什么好处

应用　电磁制动
高速铁路列车通常使用磁刹车系统,磁刹车工作原理可简述如下:将磁铁的N极靠近一块正在以逆时针方向旋转的圆形铝盘,使磁感线总垂直射入铝盘,铝盘随即减速,如图所示,圆中磁铁左方铝盘的甲区域朝磁铁方向运动,磁铁右方的乙区域朝离开磁铁方向运动,下列说法正确的是 (　　)
A.铝盘甲区域的感应电流会产生垂直纸面向里的磁场
B.磁场与感应电流的作用力,会产生使铝盘减速旋转的阻力
C.感应电流在铝盘产生的内能,是使铝盘减速的最主要原因
D.若将实心铝盘转换成布满小空洞的铝盘,则磁铁对布满空洞的铝盘减速效果比实心铝盘的效果更好
任务3　电磁驱动
　　做以下演示实验,观察实验现象,回答问题。
1.如图所示,先沿逆时针方向转动蹄形磁体,观察铝框的运动情况,再沿顺时针方向转动磁体,观察铝框的运动情况。
2.思考、交流后,解释铝框转动的原因。



3.演示交流感应电动机,如图所示,将三个线圈接到三相电源上,闭合电路,观察铝框的运动情况。

电磁驱动
(1)概念:当磁场相对于导体运动时,在导体中会产生感应电流,感应电流会使导体受到安培力,安培力使导体⑥　　(选填“保持静止”或“运动起来”),这种作用常常称为电磁驱动。
(2)应用:⑦　　。
应用1　电磁驱动的应用
电磁驱动的简易图如图所示,永久磁体转动起来后对铝盘产生安培力,最后指针指在某一位置。下列说法正确的是 (　　)
A.永久磁体转动时,铝盘的转动方向可能与永久磁体的转动方向相反
B.铝盘转动的角速度一定小于永久磁体的角速度
C.该装置是将磁场能转化为电能
D.如果忽略一切摩擦,永久磁体停止转动后,铝盘将一直转动下去
归纳总结 比较项目电磁阻尼电磁驱动不 同 点成因由于导体相对于　 　运动而产生感应电流,从而使导体受到　 　力 由于磁场相对于　 　运动而产生感应电流,从而使导体受到　 　力 效果安培力的方向与导体运动方向相反,　 　导体运动 安培力的方向与导体运动方向　 　,　 　导体运动 能量 转化导体克服　 　力做功,其他形式能转化为　 　能,最终转化为内能 磁场能转化为电能,　 　力做功,电能转化为导体的　 　能,而对外做功 相同点两者都是　 　现象,都遵循楞次定律
应用2　电磁感应中的力电综合问题
(改编)由斜导轨和水平导轨组成的平行导轨PQA、MNS的间距为L,P、M间连接一阻值为R的电阻,斜导轨光滑,水平导轨粗糙,水平导轨足够长且均处在竖直向下的匀强磁场中,磁感应强度为B。现将导体棒ab从离水平导轨高为H处由静止释放,由斜导轨运动到水平导轨,最后静止在水平导轨上。已知在导体棒ab从开始运动到停止的整个过程中,通过电阻的电荷量为q,导体棒ab质量为M,电阻为r,导体棒与水平导轨之间的动摩擦因数为μ,导轨电阻与导体棒过导轨连接处的能量损耗均不计,重力加速度大小为g。求:
(1)在导体棒ab运动过程中导体棒电功率的最大值。
(2)在导体棒ab运动过程中整个回路产生的焦耳热。
(1)运用法拉第电磁感应定律求感应电动势,根据闭合电路欧姆定律求电流,由右手定
则可判断导体棒中的电流方向,结合电功率公式求解电功率。
(2)由法拉第电磁感应定律和电流定义式求位移,根据能量守恒定律求焦耳热。

归纳总结 　　电学对象与力学对象的转换及关系如下:
【随堂检测·精评价】
1.(任务1)(多选)四川三星堆新发现6个祭祀坑。挖掘之前考古人员用图示金属探测器在地面上进行探测定位,探测器中的发射线圈产生磁场,在地下的被测金属物中感应出电流,感应电流的磁场又影响线圈中的电流,使探测器发出警报。则 (　　)
A.发射线圈产生的磁场是恒定磁场
B.被测金属物中产生的电流是恒定电流
C.探测的最大深度与发射线圈中的电流强弱无关
D.探测器与被测金属物相对静止时也能发出警报
2.(任务2)某电磁阻尼器的简化原理图如图所示,当质量块上下移动时会带动磁心(磁心下方为N极)一起运动。下列说法正确的是 (　　)
A.当质量块带动磁心下移时,线圈有扩张趋势
B.当质量块带动磁心下移时,通过电阻R的电流向上
C.整个过程对应的是电能向磁场能转化
D.减小线圈匝数,阻尼效果增强
3.(任务2)如图所示,四根等长的铝管和铁管(其中C中铝管不闭合,其他两根铝管及铁管均闭合)竖直放置在同一竖直平面内,分别将磁铁和铁块沿管的中心轴线从管的上端同一高度处由静止释放,忽略空气阻力,则关于磁铁和铁块穿过管的运动时间,下列说法正确的是 (　　)
A　　　 B　 　　C　 　　D
A.tA>tB=tC=tD B.tC=tA=tB=tD
C.tC>tA=tB=tD D.tC=tA>tB=tD
4.(任务3)(改编)(多选)磁悬浮列车是高速低耗交通工具,它的驱动系统可简化为如图所示的物理模型。固定在列车底部的正方形金属线框的边长为L,匝数为N,总电阻为R。水平面
内的平行长直导轨间存在磁感应强度大小均为B,方向交互相反,边长均为L的正方形组合匀强磁场。当磁场以速度v匀速向右移动时,可驱动停在轨道上的列车,则 (　　)
A.图示时刻线框中感应电流沿逆时针方向
B.列车运动的方向与磁场移动的方向相同
C.列车速度为v'时线框中的感应电动势大小为2NBL(v-v')
D.列车速度为v'时线框受到的安培力大小为
答案与解析
自主预习·悟新知
思考1:增大金属的电阻率,将大金属块分成小金属块叠合起来。
思考2:晃动微安表后,发现指针晃动很久才停下来,用导线把微安表的两个接线柱连在一起,再次晃动表壳,发现指针很快停了下来。原因是微安表的表头主要由磁体和带指针的线圈组成,把接线柱连在一起,线圈在摆动的时候就会产生感应电流,这个感应电流可以阻碍线圈的摆动,使指针迅速停止摆动,保护游丝与指针。
判断　(1)×　(2)×　(3)√　(4)×　
合作探究·提素养
任务1
问题引领
1.因为在A、C之间接入交变电流,线圈中磁场不断变化,就会产生感生电场,使导体内自由电荷定向移动形成电流,由于看起来像水中的漩涡,所以把它叫作涡电流,简称涡流。
2.因为用到的金属块的电阻很小。
3.真空冶炼炉的工作原理就是在线圈中接入高频交变电流,在炉内金属中产生涡电流,使炉内金属发热熔化。其优点是可以在真空中进行,避免杂质进入。
4.在炉内线圈中接入交变电流,线圈周围产生迅速变化的磁场,变化的磁场使面板上方的铁锅底部产生涡流,铁锅迅速发热,从而加热食物。
知识生成　①电磁感应　②感应电流　③很强　④真空冶炼炉
应用探究
活动1　变压器的线圈接入的是交变电流,会在铁芯中产生涡流,使铁芯发热,浪费电能,还会损坏变压器,硅钢的电阻率较大,相互绝缘的薄片状硅钢的电阻也远大于整块的金属,这样可以尽量减小涡流的危害。
活动2　涡流金属探测器通过其通有交流电的探测线圈,在隐蔽金属中产生涡流,涡流的磁场又影响探测线圈,使仪器报警。
例1　【答案】AD
【提示】电流频率升高,感应电流增强;电阻大处发热多。
【解析】交流电频率越高,则产生的感应电流越大,升温越快,A项正确。工件上各处电流相同,电阻大处产生的热量多,D项正确。
任务2
问题引领
1.没有线圈时,磁铁振动较长时间才停下来。有线圈时,磁铁很快停下来。
2.磁铁下端没有线圈时,磁铁在振动过程中只受到很小的空气阻力,所以磁铁可以振动较长时间;磁铁下面放置一个线圈后,在磁铁振动的过程中,通过线圈的磁通量发生了变化,在线圈中会产生感应电流,线圈会受到安培力的作用,同时线圈也会给磁铁一个磁场力的作用来阻碍磁铁的运动,进而阻碍磁通量的变化,所以磁铁很快就会停止振动。
3.根据右手定则可知,AB边切割磁感线产生的感应电流方向向右,再根据左手定则可判断AB边因此受到的安培力方向向上,即阻碍其下落。
知识生成　⑤阻碍
应用探究
活动　仪表工作时指针向右转动,铝框中的感应电流方向(俯视)沿逆时针方向,铝框左边受向下的安培力,右边受到向上的安培力,阻碍线圈的转动。使用铝框做线圈的骨架的好处是铝的电阻率小,铝框中产生的感应电流大,电磁阻尼作用大,能使线圈偏转后尽快停下来。
例2　B　【解析】铝盘甲区域中的磁通量向里增大,由楞次定律可知,甲区域感应电流方向为逆时针方向,则此感应电流的磁场方向垂直纸面向外,A项错误;由“来拒去留”可知,磁场与感应电流的作用力,会产生使铝盘减速旋转的阻力,B项正确,C项错误;改成空洞铝盘,电阻变大,电流变小,阻碍效果更差,D项错误。
任务3
问题引领
1.转动蹄形磁体后,可以发现铝框也逐渐随之转动。当磁体逆时针转动时铝框也逆时针转动,当磁体顺时针转动时铝框也顺时针转动。
2.当蹄形磁体转动时,穿过铝框的磁通量发生变化,铝框中产生感应电流,根据楞次定律可知,铝框受到安培力使其随蹄形磁体转动,以阻碍磁通量的变化。
3.当三个线圈接到三相电源上时,意味着磁场在不停地变化,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而运动起来。
知识生成　⑥运动起来　⑦交流感应电动机
应用探究
例3　B　【解析】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铁转动,要使穿过铝盘磁通量的变化减小,永久磁铁转动方向与铝盘转动方向相同,且铝盘转动的角速度小于永久磁体的角速度,A项错误,B项正确;在电磁驱动的过程中,通过安培力做功消耗电能转化为机械能,C项错误;当磁铁停止转动后,如果忽略一切摩擦,铝盘速度减小直至停止,D项错误。
例4　【解答】(1)当ab棒刚进入磁场时,回路感应电动势最大,ab棒的电功率最大,此时有E=BLv0
ab棒下滑过程中机械能守恒,有MgH=M
根据闭合电路欧姆定律有I=
由电功率公式有P=I2r
联立解得P=。
(2)导体棒ab运动到水平导轨后受安培力和摩擦力作用做变减速运动,一方面克服安培力做功将机械能转化为电能,电能又转化为内能;另一方面克服摩擦力做功,将机械能转化为内能,设导体棒ab运动的位移为s,由法拉第电磁感应定律得E'===
q=I'Δt=Δt=
所以s=
设整个回路产生的焦耳热为Q
根据能量的转化与守恒有MgH=fs+Q
Q=MgH-。
随堂检测·精评价
1.D　【解析】探测器中的发射线圈产生磁场,在地下的被测金属物中感应出电流,所以发射线圈产生的磁场是变化的磁场,A项错误;感应电流的磁场又影响线圈中的电流,说明感应电流产生的磁场是变化的,在线圈中又产生了感应电流,从而使探测器发出警报,B项错误;探测的最大深度与发射线圈中的电流强弱有关,发射线圈中的电流越强,其产生的磁场也越强,探测器探测的深度就越深,C项错误;因为探测器产生的磁场是变化的,所以探测器与被测金属物相对静止时也能发出警报,D项正确。
2.B　【解析】当质量块带动磁心下移时,通过线圈的磁通量增大,根据“增缩减扩”,线圈有收缩趋势,A项错误;根据楞次定律,线圈中磁场方向向下,磁通量增大,则通过电阻R的感应电流向上,B项正确;整个过程对应的是机械能向电能转化,C项错误;减小线圈匝数,产生的感应电流减小,阻尼效果减弱,D项错误。
3.A　【解析】A铝管不会被磁铁磁化,但当磁铁通过铝管的过程中,铝管可看成很多圈水平放置的铝环,据楞次定律知,铝管将发生电磁感应,阻碍磁铁的相对运动;因C中铝管不闭合,所以磁铁穿过铝管的过程中不产生感应电流,磁铁做自由落体运动;铁块在B铝管和D铁管中均做自由落体运动,所以磁铁和铁块在管中的运动时间满足tA>tC=tB=tD,A项正确。
4.BC　【解析】线框相对磁场向左运动,根据右手定则可知图示时刻线框中感应电流沿顺时针方向,A项错误;根据左手定则可知,列车受到向右的安培力,因此列车运动的方向与磁场移动的方向相同,B项正确;由于左右两条边产生的感应电动势顺次相加,根据法拉第电磁感应定律有E=2NBLΔv=2NBL(v-v'),C项正确;列车速度为v'时,线框受到的安培力大小F=2NBIL=,D项错误。

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