高中人教版 (新课标)选修3-2第四章 电磁感应7 涡流、电磁阻尼和电磁驱动导学案及答案

自主体验

一、涡流

用整块金属材料做铁芯绕制的线圈，当线圈中通有变化的电流时，变化的电流会产生变化的磁场，变化的磁场穿过铁芯，整个铁芯会自成回路，产生__________，这种电流看起来像水中的旋涡，我们就把这种电流叫做_______，简称_____．

二、电磁阻尼

当导体在磁场中运动时，如导体中出现涡流，即感应电流，感应电流会受到安培力作用，安培力的作用总是_____导体的运动，这种现象叫做_________.

三、电磁驱动

如果磁场相对于导体运动，在导体中会产生感应电流，感应电流使导体受到_______的作用，_______使导体运动起来，这种作用就是_________.

知识探究

一、涡流的产生及能量转化

1．涡流产生的条件：涡流的本质是电磁感应现象,涡流产生条件是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．同时因为整个导体回路的电阻一般很小，所以感应电流很大，就像水中的旋涡．

2．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．

3．能量转化：伴随着涡流现象，其他形式的能转化成电能，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；如果是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．

特别提醒：涡流的本质是电磁感应现象，与一般导体或线圈的最大区别是金属块本身构成闭合回路，它同样遵守电磁感应定律．

二、电磁驱动与电磁阻尼

当蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量就发生变化，例如线圈处于如右图所示的初始状态时，穿过线圈的磁通量为零，当蹄形磁铁转动时，穿过线圈的磁通量就增加了，根据楞次定律，此时线圈中就有感应电流产生，以阻碍磁通量的增加，因而线圈会跟着一起转动起来．

从动力学的观点来看，线圈中产生的感应电流受到的安培力是使线圈转动起来的动力，对线圈而言是电磁驱动；而线圈对磁铁的作用力对磁铁的转动起阻碍作用，对磁铁而言是电磁阻尼，因此电磁驱动和电磁阻尼是矛盾的两个方面，不可分割．

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，电能转化为导体的机械能而对外做功．

典例探究

题型一：电磁阻尼的分析

                             .4-7-1.

【例1】如图1所示，在O点正下方有一个具有理想边界的磁场，铜环在A点由静止释放，向右摆至最高点B，不考虑空气阻力，则下列说法正确的是(　　)

A．A、B两点在同一水平线上         B．A点高于B点

C．A点低于B点                    D．铜环将做等幅摆动

变式训练1　甲、乙两个完全相同的铜环可绕固定轴OO′旋转，当给以相同的初始角速度开始转动后，由于阻力，经相同的时间后便停止；若将环置于磁感应强度B大小相同的匀强磁场中，甲环的转轴与磁场方向平行，乙环的转轴与磁场方向垂直，如图2所示，当甲、乙两环同时以相同的角速度开始转动后，则下列判断正确的是(　　)

A．甲环先停

B．乙环先停

C．两环同时停下

D．无法判断两环停止的先后顺序

      图1                  图2                     图3                 图4

题型二：电磁驱动的分析和应用

【例2】位于光滑水平面的小车上放置一螺线管，一个比螺线管长的条形磁铁沿着螺线管的轴线水平穿过，如图3所示，在此过程中(　　)

A．磁铁做匀速直线运动

B．磁铁做减速运动

C．小车向右做加速运动

D．小车先加速后减速

变式训练2   如图4所示，把一个闭合线框放在蹄形磁体的两磁极之间，蹄形磁体可以绕竖直轴转动，闭合线框也可以绕竖直轴转动，当蹄形磁体逆时针(从上往下看)转动时，有关线圈的运动下列说法正确的是(　　)

A．线圈将顺时针方向转动                      B．线圈仍保持静止

C．线圈将逆时针方向转动，转速与磁铁相同

D．线圈将逆时针方向转动，转速比磁铁小

题型三：电磁感应中的能量问题

【例3】光滑曲面与竖直平面的交线是抛物线，如图5所示，抛物线的方程是y＝x 2，下半部处在一个水平方向的匀强磁场中，磁场的上边界是y＝a的直线(图中的虚线所示)，一个小金属块从抛物面上y＝b(b>a)处以速度v沿抛物面下滑，假设抛物面足够长，小金属块沿抛物面下滑后产生的焦耳热总量是(　　)

A．mgb　    B.m v 2     C．mg(b－a)     D．mg(b－a)＋m v 2                     图5

变式训练3　如图6所示，在水平通电导线的正下方，有一半圆形光滑弧形轨道，一导体圆环自轨道右侧的P点无初速度滑下，则下列判断正确的是(　　)

A．圆环中将有感应电流产生

B．圆环能滑到轨道左侧与P点等高处

C．圆环最终停到轨道最低点

D．圆环将会在轨道上永远滑动下去

课堂练习

1．下列做法中可能产生涡流的是(  )

A．把金属块放在匀强磁场中                                        图6

B．让金属块在匀强磁场中匀速运动

                                  .4-7-2.

C．让金属块在匀强磁场中做变速运动

D．把金属块放在变化的磁场中

2．磁电式仪表的线圈通常用铝框当骨架，把线圈绕在铝框上，这样做的目的是(  )

A．防止涡流而设计的              B．利用涡流而设计的

C．起电磁阻尼的作用              D．起电磁驱动的作用

3．如图7所示，光滑水平绝缘面上有两个金属环静止在平面上，环1竖直，环2水平放置，均处于中间分割线上，在平面中间分割线正上方有一条形磁铁，当磁铁沿中间分割线向右运动时，下列说法正确的是(  )

A．两环都向右运动

B．两环都向左运动

C．环1静止，环2向右运动

D．两环都静止

4．下列关于涡流的说法中正确的是(　　)                               图7

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，而是一种有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

课后练习

1．如图8所示，在一个绕有线圈的可拆变压器铁芯上分别放一小铁锅水和一玻璃杯水．给线圈通入电流，一段时间后，一个容器中水温升高，则通入的电流与水温升高的是(  )

A．恒定直流、小铁锅

B．恒定直流、玻璃杯

C．变化的电流、小铁锅

D．变化的电流、玻璃杯                                                   图8

2．机场的安检门可以利用涡流探测人身上携带的金属物品，安检门中接有线圈，线圈中通以交变电流，关于其工作原理，以下说法正确的是(  )

A．人身上携带的金属物品会被地磁场磁化，在线圈中产生感应电流

B．人体在线圈交变电流产生的磁场中运动，产生感应电动势并在金属物品中产生感应电流

C．线圈产生的交变磁场会在金属物品中产生交变的感应电流

D．金属物品中感应电流产生的交变磁场会在线圈中产生感应电流

3．电磁炉是利用电磁感应现象产生的涡流，使锅体发热从而加热食物．下列相关的说法中正确的是(　　)

A．锅体中涡流的强弱与磁场变化的频率有关

B．电磁炉中通入电压足够高的直流电也能正常工作

C．金属或环保绝缘材料制成的锅体都可以利用电磁炉来烹饪食物

D．电磁炉的上表面一般都用金属材料制成，以加快热传递、减少热损耗

4.如图所示，在水平地面下有一条沿东西方向铺设的水平直导线，导线中通有自东向西稳定、强大的直流电流．现用一闭合的检测线圈(线圈中串有灵敏的检流计，图中未画出)检测此通电直导线的位置，若不考虑地磁场的影响，在检测线圈位于水平面内，从距直导线很远处由此向南沿水平地面通过导线的上方并移至距直导线很远处的过程中，俯视检测线圈，其中的感应电流的方向是（     ）

A．先顺时针后逆时针

B．先逆时针后顺时针

                                     .4-7-3.

C．先逆时针后顺时针，然后再逆时针

D．先顺时针后逆时针，然后再顺时针

5.如图所示，两个相等的轻质铝环套在一根水平光滑绝缘杆上，当一条形磁铁向左运动靠近两环时，两环的运动情况是

A．同时向左运动，间距变大

B．同时向左运动，间距变小

C．同时向右运动，间距变小

D．同时向右运动，间距变小

6．有一个铜盘，轻轻拨动它，能长时间地绕轴自由转动．如果在转动时把蹄形磁铁的两极放在铜盘边缘，但并不与铜盘接触，如图3所示，铜盘就能在较短时间内停止转动，分析这个现象产生的原因．

7. 如图所示，是称为阻尼摆的示意图，在轻质杆上固定一金属薄片，轻质杆可绕上端O点为轴在竖直面内转动，一有界磁场垂直于金属薄片所在的平面．使摆从图中实线位置释放，摆很快就会停止摆动；若将摆改成梳齿状，还是从同一位置释放，摆会摆动较长的时间．试定性分析其原因．

8．如图所示，让一金属圆盘接近磁铁的两极，但不接触，使磁铁转动，圆盘也会跟着转动，这种现象称为“电磁驱动”，请你说明电磁驱动的原理．

9．弹簧上端固定，下端悬挂一根磁铁．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．如图所示，如果在磁铁下端放个固定的闭合线圈，使磁铁上下振动时穿过它，磁铁就会很快地停下来，解释这个现象，并说明此现象中能量转化的情况．

                                 .4-7-4.