PAGE12-7渦流、電磁阻尼和電磁驅動[學科素養與目標要求]物理觀念：1.了解渦流的產生、利用和危害.2.知道電磁驅動和電磁阻尼的原理及應用.科學思維：通過電磁驅動和電磁阻尼的實例分析，體會電磁驅動和電磁阻尼的產朝氣制，能分析電磁驅動和電磁阻尼的作用.一、渦流1.渦流：當線圈中的電流隨時間改變時，線圈旁邊的任何導體中都會產生感應電流，電流在導體中組成閉合回路，很像水中的旋渦，所以把它叫做渦電流，簡稱渦流.2.渦流大小的確定因素：磁場改變越快(eq\f(ΔB,Δt)越大)，導體的橫截面積S越大，導體材料的電阻率越小，形成的渦流就越大.二、電磁阻尼當導體在磁場中運動時，導體中產生的感應電流會使導體受到安培力，安培力的方向總是阻礙導體的運動，這種現象稱為電磁阻尼.三、電磁驅動若磁場相對導體運動，在導體中會產生感應電流，感應電流使導體受到安培力的作用，安培力使導體運動起來，這種作用經常稱為電磁驅動.推斷下列說法的正誤.(1)導體中有渦流時，導體沒有和其他元件組成閉合回路，故導體不會發熱.(×)(2)電磁阻尼和電磁驅動均遵循楞次定律.(√)(3)電磁阻尼發生的過程，存在機械能向內能的轉化.(√)(4)電磁驅動中有感應電流產生，電磁阻尼中沒有感應電流產生.(×)

一、渦流如圖所示，線圈中的電流隨時間改變時，導體中有感應電流嗎？假如有，它的形態像什么？答案有.改變的電流產生改變的磁場，改變的磁場產生感生電場，使導體中的自由電子發生定向移動，產生感應電流，它的形態像水中的旋渦，所以把它叫做渦電流，簡稱渦流.1.產生渦流的兩種狀況(1)塊狀金屬放在改變的磁場中.(2)塊狀金屬進出磁場或在改變的磁場中運動.2.產生渦流時的能量轉化(1)金屬塊在改變的磁場中，磁場能轉化為電能，最終轉化為內能.(2)金屬塊進出磁場或在非勻強磁場中運動，由于克服安培力做功，金屬塊的機械能轉化為電能，最終轉化為內能.3.渦流的應用與防止(1)應用：真空冶煉爐、探雷器、安檢門等.(2)防止：為了減小電動機、變壓器鐵芯上的渦流，常用電阻率較大的硅鋼做材料，而且用相互絕緣的硅鋼片疊成鐵芯來代替整塊硅鋼鐵芯.例1(多選)“電磁感應鋁箔封口機”被廣泛應用在醫藥、食品、化工等生產行業的產品封口環節中，如圖1所示為一手持式封口機，它的工作原理是：當接通電源時，內置線圈產生磁場，當磁感線穿過封口鋁箔材料時，瞬間產生大量小渦流，致使鋁箔自行快速發熱，熔化復合在鋁箔上的溶膠，從而粘貼在待封容器的封口處，達到快速封口的目的.下列有關說法正確的是()圖1A.封口材料可用一般塑料來代替鋁箔B.該封口機可用干電池作為電源以便利攜帶C.封口過程中溫度過高，可適當減小所通電流的頻率來解決D.該封口機適用于玻璃、塑料等多種材質的容器封口，但不適用于金屬容器答案CD解析由于封口機利用了電磁感應原理，故封口材料必需是金屬類材料，而且電源必需是溝通電源，A、B錯誤；減小內置線圈中所通電流的頻率可降低封口過程中產生的熱量，即限制溫度，C正確；封口材料應是金屬類材料，但對應被封口的容器不能是金屬，否則同樣會被熔化，只能是玻璃、塑料等材質，D正確.例2(多選)下列哪些措施是為了防止渦流的危害()A.電磁爐所用的鍋要用平厚底金屬鍋B.機場、車站和重要活動場所的安檢門可以探測人身攜帶的金屬物品C.變壓器的鐵芯不做成整塊，而是用很多電阻率很大的硅鋼片疊合而成D.變壓器的鐵芯每片硅鋼片表面有不導電的氧化層答案CD解析電磁爐是采納電磁感應原理，在金屬鍋上產生渦流，使鍋體發熱從而加熱食物的，屬于渦流的應用；安檢門是利用渦流工作的；變壓器的鐵芯不做成整塊，而是用很多電阻率很大的硅鋼片疊合而成，是為了減小變壓器鐵芯內產生的渦流，屬于渦流的防止；變壓器的鐵芯每片硅鋼片表面有不導電的氧化層，是為了減小變壓器鐵芯內產生的渦流，屬于渦流的防止.故C、D正確.二、電磁阻尼彈簧上端固定，下端懸掛一個磁鐵.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.假如在磁鐵下端放一個固定的閉合線圈，使磁鐵上下振動時穿過它(如圖所示)，磁鐵就會很快停下來，說明這個現象.答案當磁鐵穿過固定的閉合線圈時，在閉合線圈中會產生感應電流，感應電流的磁場會阻礙磁鐵靠近或離開線圈，也就使磁鐵振動時除了受空氣阻力外，還要受到線圈的磁場阻力，克服阻力須要做的功較多，機械能損失較快，因而會很快停下來.1.閉合回路的部分導體在做切割磁感線運動產生感應電流時，導體在磁場中就要受到安培力的作用，依據楞次定律，安培力總是阻礙導體的運動，于是產生電磁阻尼現象.2.電磁阻尼是一種非常普遍的物理現象，任何在磁場中運動的導體，只要給感應電流供應回路，就會存在電磁阻尼作用.例3掃描隧道顯微鏡(STM)可用來探測樣品表面原子尺度上的形貌.為了有效隔離外界振動對STM的擾動，在圓底盤周邊沿其徑向對稱地安裝若干對紫銅薄板，并施加磁場來快速衰減其微小振動，如圖2所示.無擾動時，按下列四種方案對紫銅薄板施加恒定磁場；出現擾動后，對于紫銅薄板上下及其左右振動的衰減最有效的方案是()圖2答案A解析感應電流產生的條件是閉合回路中的磁通量發生改變.在A圖中，系統振動時，紫銅薄板隨之上下及左右振動，都會使穿過紫銅薄板的磁通量發生改變，產生感應電流，受到安培力，阻礙系統的振動，故A正確；在B、D圖中，只有紫銅薄板左右振動才產生感應電流，而上下振動無感應電流產生，故B、D錯誤；在C圖中，無論紫銅薄板上下振動還是左右振動，都不會產生感應電流，故C錯誤.三、電磁驅動一個閉合線圈放在蹄形磁鐵的兩磁極之間，如圖所示，蹄形磁鐵和閉合線圈都可以繞軸轉動.當蹄形磁鐵順時針轉動時線圈也順時針轉動；蹄形磁鐵逆時針轉動時線圈也逆時針轉動.(1)蹄形磁鐵轉動時，穿過線圈的磁通量是否改變？(2)線圈轉動起來的動力是什么力？線圈的轉動速度與磁鐵的轉動速度之間有什么關系？答案(1)改變.(2)線圈內產生感應電流受到安培力的作用，安培力作為動力使線圈轉動起來.線圈的轉動速度小于磁鐵的轉動速度.電磁阻尼與電磁驅動的比較(1)電磁阻尼中安培力的方向與導體運動方向相反，阻礙導體運動；電磁驅動中導體所受安培力的方向與導體運動方向相同，推動導體運動.安培力的作用效果均是阻礙導體與磁場的相對運動.(2)電磁阻尼中克服安培力做功，其他形式的能轉化為電能，最終轉化為內能；電磁驅動中由于電磁感應，磁場能轉化為電能，通過安培力做功，部分電能轉化為導體的機械能而對外做功.例4如圖3所示，蹄形磁鐵和矩形線圈均可繞豎直軸OO′轉動.從上向下看，當磁鐵逆時針轉動時，則()圖3A.線圈將逆時針轉動，轉速與磁鐵相同B.線圈將逆時針轉動，轉速比磁鐵小C.線圈將逆時針轉動，轉速比磁鐵大D.線圈靜止不動答案B解析由楞次定律可知，線圈將與磁鐵同向轉動，但轉速肯定小于磁鐵的轉速.如兩者的轉速相同，磁感線與線圈處于相對靜止狀態，線圈不切割磁感線，無感應電流產生，B正確，A、C、D項錯誤.[學科素養]通過例3和例4，建立了電磁阻尼和電磁驅動的思維模型，加深了對電磁阻尼和電磁驅動的理解和區分，較好地體現了“科學思維”的學科素養.1.(對渦流的理解)(多選)對變壓器和電動機中的渦流的相識，以下說法正確的是()A.渦流會使鐵芯溫度上升，削減線圈絕緣材料的壽命B.渦流發熱，要損耗額外的能量C.為了不產生渦流，變壓器和電動機的鐵芯用相互絕緣的硅鋼片疊成的鐵芯來代替整塊硅鋼鐵芯D.渦流產生于線圈中，對原電流起阻礙作用答案AB解析變壓器和電動機中產生的渦流會使溫度上升消耗能量，同時會削減線圈絕緣材料的壽命，選項A、B正確；變壓器和電動機的鐵芯用相互絕緣的硅鋼片疊成的鐵芯來代替整塊硅鋼鐵芯是為了增加電阻，減小渦流，削減產生的熱量，選項C錯誤；渦流產生于鐵芯中，對原電流無阻礙作用，選項D錯誤.2.(渦流的應用)電磁爐熱效率高達90%，爐面無明火，無煙，無廢氣，“火力”強勁，平安牢靠.圖4所示是描述電磁爐工作原理的示意圖，下列說法正確的是()圖4A.當恒定電流通過線圈時，會產生恒定磁場，恒定磁場越強，電磁爐加熱效果越好B.電磁爐通電線圈加溝通電后，在鍋底產生渦流，進而發熱工作C.在鍋和電磁爐中間放一紙板，則電磁爐不能起到加熱作用D.電磁爐的鍋不能用陶瓷鍋或耐熱玻璃鍋，主要緣由是這些材料的導熱性能較差答案B解析鍋體中的渦流是由改變的磁場產生的，所加的電流是溝通，不是直流，故A錯誤.依據電磁爐的工作原理可知，電磁爐通電線圈加溝通電后，在鍋底產生渦流，進而發熱工作，故B正確；在鍋和電磁爐中間放一紙板，不會影響電磁爐的加熱作用，故C錯誤.金屬鍋自身產生多數小渦流而干脆加熱于鍋底，陶瓷鍋或耐熱玻璃鍋屬于絕緣材料，里面不會產生渦流，故D錯誤.3.(對電磁阻尼的理解)(多選)如圖5所示是電表中的指針和電磁阻尼器，下列說法正確的是()圖5A.2是磁鐵，在1中產生渦流 B.1是磁鐵，在2中產生渦流C.該裝置的作用是使指針能夠轉動 D.該裝置的作用是使指針能很快地穩定答案AD解析當指針搖擺時，1隨之轉動，2是磁鐵，那么在1中產生渦流，2對1的安培力將阻礙1的轉動；總之不管1向哪個方向轉動，2對1的效果總起到阻尼作用，所以它能使指針很快地穩定下來，選項A、D正確.4.(對電磁驅動的理解)(多選)1824年，法國科學家阿拉果完成了聞名的“圓盤試驗”.試驗中將一銅圓盤水平放置，在其中心正上方用松軟細線懸掛一枚可以自由旋轉的磁針，如圖6所示.試驗中發覺，當圓盤在磁針的磁場中繞過圓盤中心的豎直軸旋轉時，磁針也隨著一起轉動起來，但略有滯后.下列說法正確的是()圖6A.圓盤上產生了感應電動勢B.圓盤內的渦流產生的磁場導致磁針轉動C.在圓盤轉動的過程中，磁針的磁場穿過整個圓盤的磁通量發生了改變D.圓盤中的自由電子隨圓盤一起運動形成電流，此電流產生的磁場導致磁針轉動答案AB考點一渦流的理解、利用和防止1.下列關于渦流的說法中正確的是()A.渦流跟平常常見的感應電流一樣，都是因為穿過導體的磁通量改變而產生的B.渦流不是感應電流，而是一種有別于感應電流的特別電流C.渦流有熱效應，但沒有磁效應D.在硅鋼中不能產生渦流答案A解析渦流的本質是電磁感應現象中產生的感應電流，只不過是由金屬塊自身構成回路，它既有熱效應，也有磁效應，所以A正確，B、C錯誤；硅鋼中產生的渦流較小，D錯誤.2.(多選)安檢門是一個用于平安檢查的“門”，“門框”內有線圈，線圈里通有交變電流，交變電流在“門”內產生交變磁場，金屬物品通過“門”時能產生渦流，渦流的磁場又反過來影響線圈中的電流，從而引起報警.以下關于這個安檢門的說法正確的是()A.這個安檢門能檢查出毒品攜帶者B.這個安檢門只能檢查出金屬物品攜帶者C.假如這個“門框”的線圈中通上恒定電流，也能檢查出金屬物品攜帶者D.這個安檢門工作時，既利用了電磁感應現象，又利用了電流的磁效應答案BD解析這個安檢門是利用渦流工作的，因而只能檢查出金屬物品攜帶者，A錯，B對.若“門框”的線圈中通上恒定電流，只能產生恒定磁場，它不能使塊狀金屬產生渦流，因而不能檢查出金屬物品攜帶者，C錯.安檢門工作時，既利用了電磁感應現象，又利用了電流的磁效應，D對.3.如圖1所示，金屬探測器是用來探測金屬的儀器，關于其工作原理，下列說法中正確的是()圖1A.探測器內的探測線圈會產生穩定的磁場B.只有有磁性的金屬才會被探測器探測到C.探測到金屬是因為金屬中產生了渦流D.探測到金屬是因為探測器中產生了渦流答案C解析金屬探測器探測金屬時，探測器內的探測線圈會產生改變的磁場，被測金屬中產生了渦流，故選項A、D錯誤，C正確；全部的金屬都能在改變的磁場中產生渦流，選項B錯誤.4.(2024·龍巖市六校高二下學期期中)渦流檢測是工業上無損檢測的方法之一.如圖2所示，線圈中通以肯定頻率的正弦溝通電，靠近待測工件時，工件內會產生渦流，同時線圈中的電流受渦流影響也會發生改變.下列說法中正確的是()圖2A.渦流的磁場總是與線圈的磁場方向相反B.渦流的大小與通入線圈的溝通電頻率無關C.待測工件可以是塑料或橡膠制品D.通電線圈和待測工件間存在周期性改變的作用力答案D解析渦流的磁場總是要阻礙穿過工件磁通量的改變，依據楞次定律可知，渦流的磁場與線圈的磁場方向可能相同也可能相反，故A錯誤；渦流的大小取決于磁場改變的快慢，故與通入線圈的溝通電頻率有關，故B錯誤；電磁感應只能發生在金屬物體中，故待測工件只能是金屬制品，故C錯誤；因為線圈溝通電是周期性改變的，故在待測工件中引起的溝通電也是周期性改變的，可知通電線圈和待測工件間存在周期性改變的作用力，故D正確.5.(多選)如圖3所示，磁電式儀表的線圈通常是用鋁框做骨架，把線圈繞在鋁框上，這樣做的目的是()圖3A.防止渦流而設計的 B.利用渦流而設計的C.起電磁阻尼的作用 D.起電磁驅動的作用答案BC解析線圈通電后在安培力作用下轉動，鋁框隨之轉動，在鋁框內產生渦流.渦流將阻礙線圈的轉動，使線圈偏轉后盡快停下來，這樣做是利用渦流來起電磁阻尼的作用，故B、C正確.考點二電磁阻尼的理解6.彈簧上端固定，下端掛一條形磁鐵，使磁鐵上下振動，磁鐵的振動幅度不變.若在振動過程中把線圈靠近磁鐵，如圖4所示，視察磁鐵的振幅將會發覺()圖4A.S閉合時振幅漸漸減小，S斷開時振幅不變B.S閉合時振幅漸漸增大，S斷開時振幅不變C.S閉合或斷開，振幅改變相同D.S閉合或斷開，振幅都不發生改變答案A解析S斷開時，磁鐵振動穿過線圈的磁通量發生改變，但線圈中無感應電流，振幅不變；S閉合時有感應電流，有電能產生，磁鐵的機械能越來越少，振幅漸漸減小，A正確.7.如圖5所示，使一個銅盤繞其豎直的軸OO′轉動，且假設摩擦等阻力不計，轉動是勻速的.現把一個蹄形磁鐵移近銅盤，則()圖5A.銅盤的轉動將變慢B.銅盤的轉動將變快C.銅盤仍以原來的轉速轉動D.銅盤的轉動速度是否改變，要依據磁鐵上下兩端的極性來確定答案A8.甲、乙兩個完全相同的銅環均可繞豎直固定軸O1O2旋轉，現讓它們以相同角速度同時起先轉動，由于阻力作用，經相同的時間后停止，若將圓環置于如圖6所示的勻強磁場中，甲環的轉軸與磁場方向垂直，乙環的轉軸與磁場方向平行，現讓甲、乙兩環同時以相同的初始角速度起先轉動后，下列推斷正確的是()圖6A.甲環先停下B.乙環先停下C.兩環同時停下D.兩環都不會停下答案A解析當銅環轉動時，乙環始終與磁場方向平行，穿過乙環的磁通量為零，穿過甲環的磁通量不斷改變，不斷有感應電流產生，肯定受到安培力，安培力阻礙圓環與磁場間的相對運動，故甲環先停止運動，A正確.9.光滑曲面與豎直平面的交線是拋物線，如圖7所示，拋物線的方程為y＝x2，其下半部處在一個水平方向的勻強磁場中，磁場的上邊界是y＝a的直線(如圖中的虛線所示).一個小金屬塊從拋物線上y＝b(b>a)處以速度v沿拋物線下滑，假設曲面足夠長，則金屬塊在曲面上滑動的過程中產生的總熱量是()圖7A.mgb B.eq\f(1,2)mv2C.mg(b－a) D.mg(b－a)＋eq\f(1,2)mv2答案D解析金屬塊在曲面上滑動的過程中，由初狀態到末狀態(金屬塊在磁場區域內往復運動)能量守恒.初狀態機械能E1＝mgb＋eq\f(1,2)mv2末狀態機械能E2＝mga總熱量Q＝E1－E2＝mg(b－a)＋eq\f(1,2)mv2.10.(多選)如圖8所示，閉合金屬環從光滑曲面上h高處滾下，又沿曲面的另一側上升，設環的初速度為零，摩擦不計，曲面處在圖中磁場中，則()圖8A.若是勻強磁場，環上升的高度小于hB.若是勻強磁場，環上升的高度等于hC.若是非勻強磁場，環上升的高度等于hD.若是非勻強磁場，環上升的高度小于h答案BD解析若磁場為勻強磁場，穿過環的磁通量不變，不產生感應電流，即無機械能向電能轉化，機械能