1、7 涡流涡流、电磁阻尼和电磁驱动电磁阻尼和电磁驱动 学科素养与目标要求 物理观念：1.了解涡流的产生、利用和危害.2.知道电磁驱动和电磁阻尼的原理及应用. 科学思维：通过电磁驱动和电磁阻尼的实例分析，体会电磁驱动和电磁阻尼的产生机制，能 分析电磁驱动和电磁阻尼的作用. 一、涡流 1.涡流：当线圈中的电流随时间变化时，线圈附近的任何导体中都会产生感应电流，电流在 导体中组成闭合回路，很像水中的旋涡，所以把它叫做涡电流，简称涡流. 2.涡流大小的决定因素：磁场变化越快(B t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. 二、电磁阻尼 当导体在磁场中运动时，导体中产生
2、的感应电流会使导体受到安培力，安培力的方向总是阻 碍导体的运动，这种现象称为电磁阻尼. 三、电磁驱动 若磁场相对导体运动，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，这种作用常常称为电磁驱动. 判断下列说法的正误. (1)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.( ) (2)电磁阻尼和电磁驱动均遵循楞次定律.( ) (3)电磁阻尼发生的过程，存在机械能向内能的转化.( ) (4)电磁驱动中有感应电流产生，电磁阻尼中没有感应电流产生.( ) 一、涡流 如图所示，线圈中的电流随时间变化时，导体中有感应电流吗？如果有，它的形状像什么？ 答案
3、 有.变化的电流产生变化的磁场，变化的磁场产生感生电场，使导体中的自由电子发生 定向移动，产生感应电流，它的形状像水中的旋涡，所以把它叫做涡电流，简称涡流. 1.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变化的磁场中运动. 2.产生涡流时的能量转化 (1)金属块在变化的磁场中，磁场能转化为电能，最终转化为内能. (2)金属块进出磁场或在非匀强磁场中运动，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. 3.涡流的应用与防止 (1)应用：真空冶炼炉、探雷器、安检门等. (2)防止：为了减小电动机、变压器铁芯上的涡流，常用电阻率较大的硅钢做材料
4、，而且用相 互绝缘的硅钢片叠成铁芯来代替整块硅钢铁芯. 例 1 (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 1 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，从而粘贴在待封容器的封口处，达到迅速封口的目的.下列有关说法正 确的是( ) 图 1 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，
5、但不适用于金属容器 答案 CD 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 流电源，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 被熔化，只能是玻璃、塑料等材质，D 正确. 例 2 (多选)下列哪些措施是为了防止涡流的危害( ) A.电磁炉所用的锅要用平厚底金属锅 B.机场、车站和重要活动场所的安检门可以探测人身携带的金属物品 C.变压器的铁芯不做成整块，而是用许多电阻率很大的硅钢片叠合而成 D.变压器的铁芯每片硅钢片表面有不导电的氧化层 答案
6、 CD 解析 电磁炉是采用电磁感应原理，在金属锅上产生涡流，使锅体发热从而加热食物的，属 于涡流的应用；安检门是利用涡流工作的；变压器的铁芯不做成整块，而是用许多电阻率很 大的硅钢片叠合而成，是为了减小变压器铁芯内产生的涡流，属于涡流的防止；变压器的铁 芯每片硅钢片表面有不导电的氧化层，是为了减小变压器铁芯内产生的涡流，属于涡流的防 止.故 C、D 正确. 二、电磁阻尼 弹簧上端固定，下端悬挂一个磁铁.将磁铁托起到某一高度后放开，磁铁能上下振动较长时间 才停下来.如果在磁铁下端放一个固定的闭合线圈，使磁铁上下振动时穿过它(如图所示)，磁 铁就会很快停下来，解释这个现象. 答案 当磁铁穿过固定的
7、闭合线圈时，在闭合线圈中会产生感应电流，感应电流的磁场会阻 碍磁铁靠近或离开线圈，也就使磁铁振动时除了受空气阻力外，还要受到线圈的磁场阻力， 克服阻力需要做的功较多，机械能损失较快，因而会很快停下来. 1.闭合回路的部分导体在做切割磁感线运动产生感应电流时，导体在磁场中就要受到安培力 的作用，根据楞次定律，安培力总是阻碍导体的运动，于是产生电磁阻尼现象. 2.电磁阻尼是一种十分普遍的物理现象，任何在磁场中运动的导体，只要给感应电流提供回 路，就会存在电磁阻尼作用. 例 3 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
8、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 2 所示.无扰动时，按下列四种方案对紫铜薄板施加恒定磁场；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 2 答案 A 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， 系统振动时， 紫铜薄 板随之上下及左右振动，都会使穿过紫铜薄板的磁通量发生变化，产生感应电流，受到安培 力，阻碍系统的振动，故 A 正确；在 B、D 图中，只有紫铜薄板左右振动才产生感应电流， 而上下振动无感应电流产生，故 B、D 错误；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 C 错
9、误. 三、电磁驱动 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之间有什么关系？ 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.线圈的转动速度 小于磁铁的转动速度. 电磁阻尼与电磁驱动的比较 (1)电磁阻尼中安培力的方向与导体运动方向相反，阻碍导体运动；电磁驱动中导体所受安培 力的方向与导体运动方向相同， 推动导体运
10、动.安培力的作用效果均是阻碍导体与磁场的相对 运动. (2)电磁阻尼中克服安培力做功，其他形式的能转化为电能，最终转化为内能；电磁驱动中 由于电磁感应，磁场能转化为电能，通过安培力做功，部分电能转化为导体的机械能而对 外做功. 例 4 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 3 A.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.线圈将逆时针转动，转速比磁铁大 D.线圈静止不动 答案 B 解析 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
11、态，线圈不切割磁感线，无感应电流产生，B 正确，A、 C、D 项错误. 学科素养 通过例 3 和例 4， 建立了电磁阻尼和电磁驱动的思维模型， 加深了对电磁阻尼和 电磁驱动的理解和区分，较好地体现了“科学思维”的学科素养. 1.(对涡流的理解)(多选)对变压器和电动机中的涡流的认识，以下说法正确的是( ) A.涡流会使铁芯温度升高，减少线圈绝缘材料的寿命 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 答案 AB 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
12、圈绝缘材料的寿 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，减小涡流，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. 2.(涡流的应用)电磁炉热效率高达 90%，炉面无明火，无烟，无废气，“火力”强劲，安全可 靠.图 4 所示是描述电磁炉工作原理的示意图，下列说法正确的是( ) 图 4 A.当恒定电流通过线圈时，会产生恒定磁场，恒定磁场越强，电磁炉加热效果越好 B.电磁炉通电线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作 C.在锅和电磁炉中间放一纸板，则电磁炉不能起到加热作用 D.电磁炉的锅
13、不能用陶瓷锅或耐热玻璃锅，主要原因是这些材料的导热性能较差 答案 B 解析 锅体中的涡流是由变化的磁场产生的，所加的电流是交流，不是直流，故 A 错误.根据 电磁炉的工作原理可知，电磁炉通电线圈加交流电后，在锅底产生涡流，进而发热工作，故 B 正确；在锅和电磁炉中间放一纸板，不会影响电磁炉的加热作用，故 C 错误.金属锅自身产 生无数小涡流而直接加热于锅底，陶瓷锅或耐热玻璃锅属于绝缘材料，里面不会产生涡流， 故 D 错误. 3.(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 5 A.2 是磁铁，在 1 中产生涡流 B.1 是磁铁，在 2 中产
14、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 答案 AD 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. 4.(对电磁驱动的理解)(多选)1824 年，法国科学家阿拉果完成了著名的“圆盘实验”.实验中 将一铜圆盘水平放置，在其中心正上方用柔软细线悬挂一枚可以自由旋转的磁针，如图 6 所 示.实验中发现，当圆盘在磁针的磁场中绕过圆盘中心的竖直轴旋转时，磁针也随着一起转动 起来，但略有滞后.下列说法正确的是( ) 图 6 A.圆盘上产生了感应电动势 B.圆盘内的涡流产生的磁场导致磁针转动 C.在圆盘转动的过程中，磁针的磁场穿过整个圆盘的磁通量发生了变化 D.圆盘中的自由电子随圆盘一起运动形成电流，此电流产生的磁场导致磁针转动 答案 AB