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

1．當(dāng)線圈中的電流隨時間變化時，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．
2．當(dāng)導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動時，在導(dǎo)體中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流會使導(dǎo)體受到安培力，安培力的方向總是阻礙導(dǎo)體的運(yùn)動，這種現(xiàn)象稱為電磁阻尼；當(dāng)磁場相對導(dǎo)體轉(zhuǎn)動時，在導(dǎo)體中會產(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)動起來，這種現(xiàn)象稱為電磁驅(qū)動．
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)磁場中
B．讓金屬塊在勻強(qiáng)磁場中勻速運(yùn)動
C．讓金屬塊在勻強(qiáng)磁場中做變速運(yùn)動
D．把金屬塊放在變化的磁場中
答案　D
解析　渦流就是整個金屬塊中產(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錯誤；把金屬塊放在變化的磁場中時，穿過金屬塊的磁通量發(fā)生了變化，有渦流產(chǎn)生，所以D項正確．
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)計的 B．利用渦流而設(shè)計的
C．起電磁阻尼的作用 D．起 電磁驅(qū)動的作用
答案　BC
解析　線圈通電后，在安培力作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動，鋁框隨之轉(zhuǎn)動，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，使線圈偏轉(zhuǎn)后較快停下來．所以，這樣做的目的是利用渦流來起電磁阻尼的作用．

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) 動時，下列說法正確的是(　　)
A．兩環(huán)都向右運(yùn)動
B．兩環(huán)都向左運(yùn)動
C．環(huán)1靜止，環(huán)2向右運(yùn)動
D．兩環(huán)都靜止
答案　C
解析　條形磁鐵向右運(yùn)動時，環(huán)1中磁通量保持為零不變，無感應(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．

【概念規(guī)律練】
知識點(diǎn)一　渦流及其應(yīng)用
1．如圖2所示，在一個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，一段時間后，一個容器中水溫升高，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，所產(chǎn)生的磁場不變，不會產(chǎn)生感應(yīng)電流，通入變化的電流，所產(chǎn)生的磁場發(fā)生變化，在空間產(chǎn)生感生電場，鐵鍋是導(dǎo)體，感生電場在導(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在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的，所以玻璃杯中的水不會升溫．
點(diǎn)評　渦流是在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的，而且穿過回路的磁通量必須是變化的，此題能說明電磁爐的原理．
2．機(jī)場的安檢門可以利用渦流探測人身上攜帶的金屬物品，安檢門中接有線圈，線圈中通以交變電流，關(guān)于 其工作原理，以下說法正確的是(　　)
A．人身上攜帶的金屬 物品會被地磁場磁化，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流
B．人體在線圈交變電流產(chǎn)生的磁場中運(yùn)動，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢并在金屬物品中產(chǎn)生感應(yīng)電流
C．線圈產(chǎn)生的交變磁場會在金屬物品中產(chǎn)生交變的感應(yīng)電流
D．金屬物品中感應(yīng)電流產(chǎn)生的交變磁場會在線圈中產(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，且一般不會與金屬物品構(gòu)成回路，故A、B錯誤；安檢門利用渦流探測金屬物品的工作原理是：線圈中交變電流產(chǎn)生交變磁場，使金屬物品中產(chǎn)生渦流，故C正確；該渦流產(chǎn)生的磁場又會在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，而線圈中交變電流的變化可以被檢測，故D項正確．
點(diǎn)評　金屬探測利用了渦流的磁效應(yīng)．
知識點(diǎn)二　電磁阻尼
3．有一個銅盤，輕輕撥動它，能長時間地繞軸自由轉(zhuǎn)動．如果在轉(zhuǎn)動時 把蹄形磁鐵的兩極放在銅盤邊緣，但并不與銅盤接觸，如圖3所示，銅盤就能在較短時間內(nèi)停止轉(zhuǎn)動，分析這個現(xiàn)象產(chǎn)生的原因．

圖3
答案　見解析
解析　銅盤轉(zhuǎn)動時如果加上磁場，則在銅盤中產(chǎn)生渦流，磁場對這個渦流的作用力阻礙它的轉(zhuǎn)動，故在較短的時間內(nèi)銅盤停止轉(zhuǎn)動．
點(diǎn)評　當(dāng)導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動時，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，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，一有界磁場垂直于金屬薄片所在的平面．使擺從圖中實(shí)線位置釋放，擺很快就會停止擺動；若將擺改成梳齒狀，還是從同一位置釋放，擺會擺動較長的時間．試定性分析其原因．

圖4
答案　見解析
解析　第一種情況下，阻尼擺進(jìn)入有界磁場后，在金屬薄片中會形成渦流，渦流使金屬薄片受安培力的作用，阻礙其相對運(yùn)動，所以會很快停下來；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比先前小得多，所以會擺動較長的時間．
點(diǎn)評　防止電磁阻尼的途徑為阻止或減弱渦流的產(chǎn)生．
知識點(diǎn)三　電磁驅(qū)動
5．如圖5所示，讓一金屬圓盤接近磁鐵的兩極，但不接觸，使磁鐵轉(zhuǎn)動，圓盤也會跟著轉(zhuǎn)動，這種現(xiàn)象稱為“電磁驅(qū)動”，請你說明電磁驅(qū)動的原理．

圖5
答案 　見解析
解析　當(dāng)蹄形磁鐵轉(zhuǎn)動時，圓盤上不同位置的磁通量發(fā)生變化，因而圓 盤中會有渦流形成，該渦流的磁場阻礙磁通量的變化，使圓盤隨著磁鐵一起轉(zhuǎn)動，但圓盤轉(zhuǎn)動速度比磁鐵慢．
點(diǎn)評　電磁驅(qū)動的驅(qū)動力是渦流受到的安培力．
6．位于光滑水平面的小車上放置一螺線管，一個比螺線 管長的條形磁鐵沿著螺線管的軸線以初速度v水平穿過，如圖6所示，在此過程中(　　)

圖6
A．磁鐵做勻速直線運(yùn)動
B．磁鐵做減速運(yùn)動
C．小車向右做加速運(yùn)動
D．小車先加速后減速
答案　BC
解析　磁鐵水平穿入螺線管時，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．同理，磁鐵穿出時產(chǎn)生的相互作用力也阻礙磁鐵的運(yùn)動，故整個過程中，磁鐵做減速運(yùn)動，選項B是正確的．
而對于小車上螺線管來說，在此過程中，螺線管受到的安培力都是水平向右，這個安培力使小車向右運(yùn)動，且一直做加速運(yùn)動，C項對．
點(diǎn)評　發(fā)生電磁驅(qū)動現(xiàn)象時，磁場相對導(dǎo)體運(yùn)動，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)動起來．
【方法技巧練】
渦流能量問 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，磁鐵能上下振動較長時間才停下來．如圖7所示，如果在磁鐵下端放個固定的閉合線圈，使磁鐵上下振動時穿過它，磁鐵就會很快地 停下來，解釋這個現(xiàn)象，并說明此現(xiàn)象中能量轉(zhuǎn)化的情況．

圖7
答案　見解析
解析　當(dāng)磁鐵穿過固定的閉合線圈時，在閉合線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的磁場會阻礙磁鐵向線圈靠近或離開，也就使磁鐵振動時除了空氣阻力外，還有線圈的磁場力作為阻力，克服阻力需要做的功較多，彈簧振子的機(jī)械能損失較快，因而會很快停下來．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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