（山東省專用）2022高中物理 第四章 電磁感應(yīng) 第7節(jié) 渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動講義（含解析）新人教版選修3-2

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1、（山東省專用）2022高中物理 第四章 電磁感應(yīng) 第7節(jié) 渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動講義（含解析）新人教版選修3-2 1．線圈中的電流變化時，線圈附近的導(dǎo)體中會產(chǎn)生渦流，渦流會產(chǎn)生熱量，因此在日常生活中，既要防止有害渦流，又要利用有益渦流。 2．導(dǎo)體在磁場中運動，感應(yīng)電流會使導(dǎo)體受到安培力阻礙其運動，即為電磁阻尼。 3．磁場運動時，在磁場中的導(dǎo)體內(nèi)會產(chǎn)生感應(yīng)電流，使導(dǎo)體受到安培力的作用而運動起來，即為電磁驅(qū)動。 一、渦流 1．定義 由于電磁感應(yīng)，在導(dǎo)體中產(chǎn)生的像水中旋渦樣的感應(yīng)電流。 2．特點 若金屬的電阻率小，渦流往往很強，產(chǎn)生的熱量很多。 3．應(yīng)用

2、 (1)渦流熱效應(yīng)：如真空冶煉爐、電磁爐。 (2)渦流磁效應(yīng)：如探雷器、安檢門。 4．防止 電動機、變壓器等設(shè)備中應(yīng)防止鐵芯中渦流過大而導(dǎo)致浪費能量，損壞電器。 (1)途徑一：增大鐵芯材料的電阻率。 (2)途徑二：用相互絕緣的硅鋼片疊成的鐵芯代替整個硅鋼鐵芯。 二、電磁阻尼和電磁驅(qū)動 1．電磁阻尼 (1)概念：當(dāng)導(dǎo)體在磁場中運動時，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)體運動的現(xiàn)象。 (2)應(yīng)用：磁電式儀表中利用電磁阻尼使指針迅速停止到某位置，便于讀數(shù)。 2．電磁驅(qū)動 (1)概念：磁場相對導(dǎo)體轉(zhuǎn)動時，導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流使導(dǎo)體受到安培力的作用，安培

3、力使導(dǎo)體運動起來的現(xiàn)象。 (2)應(yīng)用：交流感應(yīng)電動機。 1．自主思考——判一判 (1)渦流也是一種感應(yīng)電流。(√) (2)導(dǎo)體中有渦流時，導(dǎo)體本身會產(chǎn)熱。(√) (3)利用渦流制成的探雷器可以探出“石雷”。(×) (4)電磁阻尼和電磁驅(qū)動均遵循楞次定律。(√) (5)電磁阻尼發(fā)生的過程中，存在機械能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化。(√) (6)電磁驅(qū)動時，被驅(qū)動的導(dǎo)體中有感應(yīng)電流。(√) 2．合作探究——議一議 (1)塊狀金屬在勻強磁場中運動時，能否產(chǎn)生渦流？ 提示：不能。塊狀金屬在勻強磁場中運動時，穿過金屬塊的磁通量不變，所以金屬塊中不產(chǎn)生渦流。 (2)利用渦流加熱時，為什么使用高

4、頻交流電源？ 提示：渦流就是感應(yīng)電流，使用高頻交流電源，能產(chǎn)生高頻變化的磁場，磁場中導(dǎo)體內(nèi)的磁通量的變化更迅速，產(chǎn)生的感應(yīng)電流更大，加熱效果更好。 (3)電磁灶的原理是什么？ 提示：電磁灶是利用渦流原理制成的。它利用交變電流通過線圈產(chǎn)生交變磁場，從而在鐵質(zhì)鍋的底部產(chǎn)生無數(shù)強大的小渦流，使鍋體迅速發(fā)熱，然后加熱鍋內(nèi)的食物。 對渦流的理解及應(yīng)用 1．渦流的本質(zhì)：電磁感應(yīng)現(xiàn)象。 2．產(chǎn)生渦流的兩種情況： (1)塊狀金屬放在變化的磁場中。 (2)塊狀金屬進出磁場或在非勻強磁場中運動。 3．產(chǎn)生渦流時的能量轉(zhuǎn)化：伴隨著渦流現(xiàn)象，其他形式的能轉(zhuǎn)化成電能最終在金屬塊中轉(zhuǎn)化為內(nèi)能

5、。 (1)金屬塊放在了變化的磁場中，則磁場能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。 (2)如果是金屬塊進出磁場或在非勻強磁場中運動，則由于克服安培力做功，金屬塊的機械能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。 1.光滑曲面與豎直平面的交線是拋物線，如圖所示，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(shè)曲面足夠長，則金屬塊在曲面上滑動的過程中產(chǎn)生的焦耳熱總量是(　　) A．mgb　　　　　　　　 B.mv2 C．mg(b－a) D．mg(b－a)＋mv2 解析：選D　由

6、初狀態(tài)到末狀態(tài)(金屬塊在磁場區(qū)域內(nèi)往復(fù)運動)能量守恒。 初狀態(tài)機械能E1＝mgb＋mv2 末狀態(tài)機械能E2＝mga 焦耳熱Q＝E1－E2＝mg(b－a)＋mv2。 2.[多選]高頻焊接原理示意圖如圖所示，線圈通以高頻交流電，金屬工件的焊縫中就產(chǎn)生大量焦耳熱，將焊縫熔化焊接，下列情況中能使焊接處消耗的電功率增大的是(　　) A．增大交變電流的電壓，其他條件不變 B．增大交變電流的頻率，其他條件不變 C．感應(yīng)電流相同條件下，增大焊接縫的接觸電阻 D．感應(yīng)電流相同條件下，減小焊接縫的接觸電阻 解析：選ABC　增大交變電流的電壓，其他條件不變，則線圈中交變電流增大，磁通量變化率增大，

7、因此產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢增大，感應(yīng)電流也增大，那么焊接處消耗的電功率增大，故A正確；高頻焊接利用高頻交變電流產(chǎn)生高頻交變磁場，在焊接的金屬工件中產(chǎn)生感應(yīng)電流，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律分析可知，電流變化的頻率越高，磁通量變化頻率越高，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢越大，感應(yīng)電流越大，焊縫處消耗的電功率越大，故B正確；感應(yīng)電流相同條件下，增大焊接縫的接觸電阻，焊縫處消耗的電功率增大，故C正確，D錯誤。 3.如圖為安檢門原理圖，左邊門框中有一通電線圈，右邊門框中有一接收線圈。工作過程中某段時間通電線圈中存在(由左向右看)順時針方向均勻減小的電流，則(　　) A．無金屬片通過時，接收線圈中的感應(yīng)電流方向為

8、逆時針 B．無金屬片通過時，接收線圈中的感應(yīng)電流增大 C．有金屬片通過時，接收線圈中的感應(yīng)電流方向為逆時針 D．有金屬片通過時，接收線圈中的感應(yīng)電流大小發(fā)生變化 解析：選D　左側(cè)門框中某段時間通電線圈中存在(由左向右看)順時針方向均勻減小的電流，無金屬片通過時，右側(cè)接收線圈中磁通量減小，根據(jù)楞次定律，右側(cè)線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流方向為順時針，大小恒定，選項A、B錯誤。有金屬片通過時，金屬片中產(chǎn)生渦流，使右側(cè)接收線圈中的感應(yīng)電流大小發(fā)生變化，方向仍為順時針，故選項C錯誤，D正確。 電磁阻尼與電磁驅(qū)動的理解 電磁阻尼 電磁驅(qū)動 不同點 成因 由導(dǎo)體在磁場中運動形成 由

9、磁場運動形成 效果 安培力的方向與導(dǎo)體運動方向相反，為阻力 安培力的方向與導(dǎo)體運動方向相同，為動力 能量轉(zhuǎn)化 導(dǎo)體克服安培力做功，其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能 磁場能轉(zhuǎn)化為電能，通過安培力做功，電能轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體的機械能 相同點 兩者都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，導(dǎo)體受到的安培力都是阻礙導(dǎo)體與磁場的相對運動 [典例]　[多選]位于光滑水平面的小車上水平固定一螺線管，一個比螺線管長的條形磁鐵沿著螺線管的軸線以初速度v0穿入螺線管，并最終穿出， 如圖所示，在此過程中(　　) A．磁鐵做勻速直線運動 B．磁鐵做減速運動 C．小車向右做加速運動 D．小車先加速后減速 [審

10、題指導(dǎo)]　 (1)“光滑水平面”說明小車運動中不受摩擦力作用。 (2)磁鐵穿過螺線管說明磁鐵相對螺線管運動，屬于電磁驅(qū)動現(xiàn)象。 [解析]　磁鐵水平穿入螺線管時，螺線管中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，由楞次定律可知產(chǎn)生的感應(yīng)電流將阻礙磁鐵的運動；同理，磁鐵穿出時，由楞次定律可知產(chǎn)生的感應(yīng)電流將阻礙磁鐵的運動，故整個過程中，磁鐵做減速運動，選項A錯誤，B正確。對于小車上的螺線管來說，螺線管受到的安培力方向始終為水平向右，這個安培力使螺線管和小車向右運動，且一直做加速運動，選項C正確，D錯誤。 [答案]　BC 電磁阻尼和電磁驅(qū)動中阻礙的結(jié)果，都是減小導(dǎo)體與磁場的相對速度，但要注意區(qū)分二者的用途?！　?/p>

11、　　 1.如圖所示，蹄形磁鐵和矩形線圈均可繞豎直軸OO′轉(zhuǎn)動。從上向下看，當(dāng)磁鐵逆時針轉(zhuǎn)動時，則(　　) A．線圈將逆時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速與磁鐵相同 B．線圈將逆時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速比磁鐵大 C．線圈轉(zhuǎn)動時將產(chǎn)生感應(yīng)電流 D．線圈轉(zhuǎn)動時感應(yīng)電流的方向始終是abcda 解析：選C　當(dāng)磁鐵逆時針轉(zhuǎn)動時，相當(dāng)于磁鐵不動而線圈順時針旋轉(zhuǎn)切割磁感線，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，故C對；當(dāng)線圈相對磁鐵轉(zhuǎn)過90°時電流方向不再是abcda，D錯；由楞次定律的推廣含義可知，線圈將與磁極同向轉(zhuǎn)動，但轉(zhuǎn)動的角速度一定小于磁鐵轉(zhuǎn)動的角速度。如兩者的角速度相同，磁感線與線圈處于相對靜止，線圈不切割磁感線，無感應(yīng)電流產(chǎn)生

12、，故A、B錯。 2.(2017·全國卷Ⅰ)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?qū)ΨQ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，如圖所示。無擾動時，按下列四種方案對紫銅薄板施加恒磁場；出現(xiàn)擾動后，對于紫銅薄板上下及左右振動的衰減最有效的方案是(　　) 解析：選A　施加磁場來快速衰減STM的微小振動，其原理是電磁阻尼，在振動時通過紫銅薄板的磁通量變化，紫銅薄板中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流，則其受到安培力作用，該作用阻礙紫銅薄板振動，即促使其振動衰減。方案A中，無論紫銅薄板上下振動還是左右振動，通過它

13、的磁通量都發(fā)生變化；方案B中，當(dāng)紫銅薄板上下振動時，通過它的磁通量可能不變，當(dāng)紫銅薄板向右振動時，通過它的磁通量不變；方案C中，紫銅薄板上下振動、左右振動時，通過它的磁通量可能不變；方案D中，當(dāng)紫銅薄板上下振動時，紫銅薄板中磁通量可能不變。綜上可知，對于紫銅薄板上下及左右振動的衰減最有效的方案是A。 3.如圖所示，彈簧上端固定，下端掛一只條形磁鐵，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，如圖所示，觀察磁鐵的振幅將會發(fā)現(xiàn)(　　) A．S閉合時振幅逐漸減小，S斷開時振幅不變 B．S閉合時振幅逐漸增大，S斷開時振幅不變 C．S閉合或斷開，振幅變化相同 D．S閉合或

14、斷開，振幅都不發(fā)生變化 解析：選A　S斷開時，磁鐵振動穿過線圈的磁通量發(fā)生變化，線圈中無感應(yīng)電流，振幅不變；S閉合時線圈中有感應(yīng)電流，磁鐵的機械能越來越少，振幅逐漸減小，選項A正確。 1．下列做法中可能產(chǎn)生渦流的是(　　) A．把金屬塊放在勻強磁場中 B．讓金屬塊在勻強磁場中做勻速運動 C．讓金屬塊在勻強磁場中做變速運動 D．把金屬塊放在變化的磁場中 解析：選D　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

15、了變化，有渦流產(chǎn)生，所以D正確。 2．[多選]變壓器的鐵芯是利用薄硅鋼片疊壓而成，而不采用一整塊硅鋼，這是為了(　　) A．增大渦流，提高變壓器的效率 B．減小渦流，提高變壓器的效率 C．增大渦流，減小鐵芯的發(fā)熱量 D．減小渦流，減小鐵芯的發(fā)熱量 解析：選BD　渦流的主要效應(yīng)之一就是發(fā)熱，而變壓器的鐵芯發(fā)熱，是我們不希望出現(xiàn)的。所以不采用整塊硅鋼，而采用薄硅鋼片疊壓在一起，目的就是減小渦流，從而減小鐵芯的發(fā)熱量，進而提高變壓器的效率。故B、D正確。 3．金屬探測器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于安檢場所，下列關(guān)于金屬探測器的說法正確的是(　　) A．金屬探測器可用于食品生產(chǎn)，防止細(xì)小的砂石顆?；?/p>

16、入食品中 B．金屬探測器探測地雷時，探測器的線圈中產(chǎn)生渦流 C．金屬探測器探測金屬時，被測金屬中感應(yīng)出渦流 D．探測過程中金屬探測器與被測物體相對靜止與相對運動的探測效果相同 解析：選C　金屬探測器只能探測金屬，不能用于食品生產(chǎn)，防止細(xì)小的砂石顆?；烊胧称分?，故A錯誤；金屬探測器探測金屬時，被測金屬中感應(yīng)出渦流，故B錯誤，C正確；探測過程中金屬探測器應(yīng)與被測物體相對運動，相對靜止時無法得出探測效果，故D錯誤。 4.如圖所示，矩形線圈放置在水平薄木板上，有兩塊相同的蹄形磁鐵，四個磁極之間的距離相等，當(dāng)兩塊磁鐵勻速向右通過線圈時，線圈仍靜止不動，那么線圈受到木板的摩擦力方向是(　　)

17、A．先向左，后向右　　　　 B．先向左，后向右，再向左 C．一直向右 D．一直向左 解析：選D　當(dāng)兩塊磁鐵勻速向右通過線圈時，線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流，線圈受到的安培力阻礙線圈相對磁鐵的運動，故線圈有相對木板向右運動的趨勢，受到的靜摩擦力的方向總是向左，選項D正確，A、B、C錯誤。 5．某同學(xué)設(shè)計了一個電磁沖擊鉆，其原理示意圖如圖所示，若發(fā)現(xiàn)鉆頭M突然向右運動，則可能是(　　) A．開關(guān)S由斷開到閉合的瞬間 B．開關(guān)S由閉合到斷開的瞬間 C．保持開關(guān)S閉合，變阻器滑片P加速向右滑動 D．保持開關(guān)S閉合，變阻器滑片P勻速向右滑動 解析：選A　若發(fā)現(xiàn)鉆頭M突然向右運動，則兩螺線管互

18、相排斥，根據(jù)楞次定律可知，可能是開關(guān)S由斷開到閉合的瞬間，或開關(guān)S閉合，變阻器滑片向左滑動，選項A正確。 6.[多選]渦流檢測是工業(yè)上無損檢測的方法之一。如圖所示，線圈中通以一定頻率的正弦交流電，靠近待測工件時，工件內(nèi)會產(chǎn)生渦流，同時線圈中的電流受渦流影響也會發(fā)生變化。下列說法正確的是(　　) A．渦流的磁場總是要阻礙穿過工件磁通量的變化 B．渦流的頻率等于通入線圈的交流電的頻率 C．通電線圈和待測工件間存在周期性變化的作用力 D．待測工件可以是塑料或橡膠制品 解析：選ABC　渦流是感應(yīng)電流，渦流的磁場總是阻礙穿過工件的磁通量的變化，而且渦流的頻率與線圈中交流電的頻率相等，A、B均

19、正確；因待測工件中的渦流與通電線圈中的電流具有相同頻率，因此二者間必有周期性的作用力，C正確；渦流只能在金屬制品中產(chǎn)生，故選項D錯誤。 7.如圖所示，在光滑絕緣水平面上，有一鋁質(zhì)金屬球以一定的初速度通過有界勻強磁場，則從球開始進入磁場到完全穿出磁場過程中(磁場寬度大于金屬球的直徑)，小球(　　) A．整個過程勻速運動 B．進入磁場過程中球做減速運動，穿出過程做加速運動 C．整個過程都做勻減速運動 D．穿出時的速度一定小于初速度 解析：選D　小球在進出磁場過程中穿過小球的磁通量發(fā)生變化，有渦流產(chǎn)生，要受到阻力。小球在磁場中運動時，穿過小球的磁通量不變，小球勻速運動，故小球在整個過程中

20、先減速運動，后勻速運動，再減速運動，故D正確。 8.[多選]如圖所示，閉合金屬環(huán)從曲面上h高處滾下，又沿曲面的另一側(cè)上升，設(shè)環(huán)的初速度為零，摩擦不計，曲面處在圖示磁場中，則(　　) A．若是勻強磁場，環(huán)滾上的高度小于h B．若是勻強磁場，環(huán)滾上的高度等于h C．若是非勻強磁場，環(huán)滾上的高度等于h D．若是非勻強磁場，環(huán)滾上的高度小于h 解析：選BD　若是勻強磁場，環(huán)中磁通量不變，無感應(yīng)電流產(chǎn)生，環(huán)的機械能守恒，A錯，B對；若為非勻強磁場，則環(huán)中磁通量變化，產(chǎn)生感生電流，機械能減少，C錯，D對。 9.如圖所示，閉合線框ABCD和abcd可分別繞軸線OO′轉(zhuǎn)動。當(dāng)線框abcd繞O

21、O′軸逆時針轉(zhuǎn)動時(俯視圖)，下列關(guān)于線框ABCD的轉(zhuǎn)動情況的說法正確的是(　　) A．線框ABCD也隨abcd逆時針轉(zhuǎn)動，只不過稍微慢了些 B．線框ABCD也隨abcd逆時針轉(zhuǎn)動，只不過稍微快了些 C．線框ABCD順時針轉(zhuǎn)動，只不過稍微慢了些 D．線框ABCD順時針轉(zhuǎn)動，只不過稍微快了些 解析：選A　由于線框abcd旋轉(zhuǎn)時會使線框ABCD中產(chǎn)生感應(yīng)電流，根據(jù)楞次定律可知，線框ABCD中的感應(yīng)電流將阻礙abcd的逆時針轉(zhuǎn)動，因此線框ABCD也隨abcd逆時針轉(zhuǎn)動，只不過稍微慢了些，選項A正確。 10.如圖所示，條形磁鐵從高h(yuǎn)處自由下落，中途穿過一個固定的空心線圈。開關(guān)S斷開，條

22、形磁鐵至落地用時t1，落地時速度為v1；S閉合，條形磁鐵至落地用時t2，落地時速度為v2，則它們的大小關(guān)系正確的是(　　) A．t1>t2，v1>v2 B．t1＝t2，v1＝v2 C．t1v2 解析：選D　開關(guān)S斷開時，線圈中無感應(yīng)電流，對條形磁鐵無阻礙作用，條形磁鐵自由下落，故a＝g；當(dāng)S閉合時，線圈中有感應(yīng)電流，對條形磁鐵有阻礙作用，故av2，選項D正確。 11.如圖所示，在蹄形磁鐵的兩極間有一可以自由轉(zhuǎn)動的銅盤(不計各種摩擦)，現(xiàn)讓銅盤轉(zhuǎn)動。下面對觀察到的現(xiàn)象描述及解釋正確的是(　　) A．銅盤中沒有感應(yīng)電動

23、勢、沒有感應(yīng)電流，銅盤將一直轉(zhuǎn)動下去 B．銅盤中有感應(yīng)電動勢、沒有感應(yīng)電流，銅盤將一直轉(zhuǎn)動下去 C．銅盤中既有感應(yīng)電動勢又有感應(yīng)電流，銅盤將很快停下 D．銅盤中既有感應(yīng)電動勢又有感應(yīng)電流，銅盤將越轉(zhuǎn)越快 解析：選C　銅盤轉(zhuǎn)動時，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律及楞次定律知，盤中有感應(yīng)電動勢，也產(chǎn)生感應(yīng)電流，并且受到阻尼作用，機械能很快轉(zhuǎn)化為電能進而轉(zhuǎn)化為焦耳熱，銅盤將很快停下，故C對，A、B、D錯。 12.如圖所示，光滑弧形軌道和一足夠長的光滑水平軌道相連，水平軌道上方有一足夠長的金屬桿，桿上掛有一光滑螺線管A。在弧形軌道上高為h的地方，無初速度釋放一磁鐵B(可視為質(zhì)點)，B下滑至水平軌道時恰

24、好沿螺線管A的中心軸運動，設(shè)A、B的質(zhì)量分別為M、m，若最終A、B速度分別為vA、vB。 (1)螺線管A將向哪個方向運動？ (2)全過程中整個電路所消耗的電能是多少。 解析：(1)磁鐵B向右運動時，螺線管中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流產(chǎn)生電磁驅(qū)動作用，使得螺線管A向右運動。 (2)全過程中，磁鐵減少的重力勢能轉(zhuǎn)化為A、B的動能和螺線管中的電能，所以 mgh＝MvA2＋mvB2＋E電。 即E電＝mgh－MvA2－mvB2。 答案：(1)向右運動　(2)mgh－MvA2－mvB2 13.如圖所示，一狹長的銅片能繞O點在紙平面內(nèi)擺動，有界的磁場其方向垂直紙面向里，銅片在擺動時受到較強的阻尼作用，很快就停止擺動。如果在銅片上開幾個長縫，銅片可以在磁場中擺動較多的次數(shù)后才停止擺動，這是為什么？ 解析：沒有開長縫的銅片在磁場中擺動時，銅片內(nèi)將產(chǎn)生較大的渦流，渦流在磁場中所受的安培力總是阻礙銅片的擺動，因此銅片很快就停止擺動。如果在銅片上開有多條長縫，就可以把渦流限制在縫與縫之間的各部分銅片上，較大地削弱了渦流，阻力隨之減小，所以銅片可以擺動多次后才停止擺動。 答案：見解析