廣西專版新教材高中物理第2章電磁感應(yīng)3渦流電磁阻尼和電磁驅(qū)動課件新人教版選擇性必修第二冊

1、3渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動課前基礎(chǔ)認(rèn)知課堂重難突破素養(yǎng)目標(biāo)定位隨 堂 訓(xùn) 練素養(yǎng)目標(biāo)定位目 標(biāo) 素 養(yǎng)1.了解渦流是怎樣產(chǎn)生的。2.了解渦流現(xiàn)象的好處和危害。3.通過對渦流實(shí)例的分析,了解渦流現(xiàn)象在生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用。4.了解電磁阻尼和電磁驅(qū)動。知 識 概 覽課前基礎(chǔ)認(rèn)知一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生電場1.感生電場:磁場變化時在空間激發(fā)的一種電場。2.感生電動勢:由感生電場產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢。3.感生電動勢中的非靜電力:感生電場對自由電荷的作用。4.感生電場的方向:與所產(chǎn)生的感應(yīng)電流的方向相同,可根據(jù)楞次定律和右手螺旋定則判斷。微思考如圖所示,一個帶正電的粒子在垂直于勻強(qiáng)磁場的平面內(nèi)做圓周運(yùn)動,當(dāng)磁

2、感應(yīng)強(qiáng)度均勻增大時,此粒子的動能將怎樣變化?提示:當(dāng)磁場增強(qiáng)時,將產(chǎn)生逆時針方向的電場,帶正電的粒子將受到這個電場對它的電場力作用,動能增大。二、渦流1.定義:由于電磁感應(yīng),在導(dǎo)體中產(chǎn)生的像水中漩渦樣的感應(yīng)電流。2.特點(diǎn):若金屬的電阻率小,渦流往往很強(qiáng),產(chǎn)生的熱量很多。3.應(yīng)用。(1)渦流熱效應(yīng):如真空冶煉爐。(2)渦流磁效應(yīng):如探雷器、安檢門。4.防止。電動機(jī)、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(fèi)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。微判斷(1)渦流是由整塊導(dǎo)體發(fā)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象,不遵循電磁感應(yīng)定律。()(2)

3、通過增大鐵芯材料的電阻率可以減小渦流。()(3)變壓器的鐵芯用硅鋼片疊成是為了減小渦流。()三、電磁阻尼1.概念:當(dāng)導(dǎo)體在磁場中運(yùn)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(yùn)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)。微探究1 把金屬制成的擺,懸掛在電磁鐵的兩極之間,并使之?dāng)[動。(1)當(dāng)電磁鐵不通電時,擺的運(yùn)動能維持較長時間,電磁鐵通電后,擺動很快就停下來,這是為什么?(2)如果把金屬擺開上幾條長縫,同樣偏角的情況下,電磁鐵通電后,發(fā)現(xiàn)比原擺擺動時間更長,為什么?提示:(1)電磁鐵通電后,在擺中形成了渦流,產(chǎn)生了阻尼作用。(2)開縫的擺相對于未

4、開縫的擺,渦流更小,阻尼作用更小。四、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,安培力使導(dǎo)體運(yùn)動起來的現(xiàn)象。2.應(yīng)用:交流感應(yīng)電動機(jī)。微探究2老師做了一個物理小實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生觀察:一個輕質(zhì)橫桿兩側(cè)各固定一金屬環(huán),橫桿可繞中心點(diǎn)自由轉(zhuǎn)動,老師拿一條形磁體插向左環(huán),后又取出插向右環(huán),如圖所示。同學(xué)們看到的現(xiàn)象是什么?答案:右環(huán)閉合,在磁體插向右環(huán)的過程中,小環(huán)內(nèi)可產(chǎn)生感應(yīng)電流,環(huán)受安培力作用,橫桿轉(zhuǎn)動;左環(huán)不閉合,不能產(chǎn)生感應(yīng)電流,無以上現(xiàn)象。課堂重難突破一 電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生電場重難歸納1.感生電場是一種渦旋電場,電場線是閉合的。2.感生電場的方向可

5、由楞次定律判斷。如圖所示,當(dāng)磁場增強(qiáng)時,產(chǎn)生的感生電場是與磁場方向垂直且阻礙磁場增強(qiáng)的電場。3.感生電場是否存在與是否存在閉合電路無關(guān)。4.電路中電源電動勢是非靜電力對自由電荷的作用。在電池中,這種力表現(xiàn)為化學(xué)作用。5.感生電場對電荷產(chǎn)生的力,相當(dāng)于電源內(nèi)部所謂的非靜電力。感生電動勢在電路中的作用就是電源。著名物理學(xué)家費(fèi)曼曾設(shè)計過這樣一個實(shí)驗(yàn)裝置:一塊絕緣圓板可繞其中心的光滑軸自由轉(zhuǎn)動,在圓板的中部有一個線圈,圓板的四周固定著一圈帶電的金屬小球,如圖所示。當(dāng)線圈接通電源后,將有圖示方向的電流流過。若金屬小球帶負(fù)電,接通電源瞬間圓板向哪一方向轉(zhuǎn)動?提示:接通電源瞬間,線圈內(nèi)的電流產(chǎn)生豎直向上的磁

6、場,該增大的磁場在周圍空間產(chǎn)生順時針方向的感生電場(俯視),帶負(fù)電的金屬小球受到沿逆時針(俯視)方向的電場力,因此圓板將沿逆時針轉(zhuǎn)動。典例剖析某空間出現(xiàn)了如圖所示的一組閉合電場線,方向從上向下看是順時針的,這可能是()A.沿AB方向磁場在迅速減弱B.沿AB方向磁場在迅速增強(qiáng)C.沿BA方向磁場恒定不變D.沿BA方向磁場在迅速減弱答案:A解析:感生電場的方向從上向下看是順時針的,假設(shè)在平行感生電場的方向上有閉合回路,則回路中的感應(yīng)電流方向從上向下看也是順時針的;由右手螺旋定則可知,感應(yīng)電流的磁場方向向下,根據(jù)楞次定律可知,原磁場方向沿AB方向減弱,或沿BA方向增強(qiáng),所以選項(xiàng)A正確,B、C、D錯誤。

7、特別提醒如果用正向判斷的方法難度較大,不妨利用排除法,逐項(xiàng)判斷。學(xué)以致用內(nèi)壁光滑的塑料管彎成的圓環(huán)平放在水平桌面上,環(huán)內(nèi)有一帶負(fù)電的小球,整個裝置處在豎直向下的磁場中,如圖所示。當(dāng)磁場突然增強(qiáng)時,小球()A.沿順時針方向運(yùn)動B.沿逆時針方向運(yùn)動C.在原位置附近往復(fù)運(yùn)動D.仍保持靜止?fàn)顟B(tài)答案:A解析:磁場突然增強(qiáng)時,激發(fā)出逆時針方向的感生電場,對負(fù)電荷的作用力為順時針,故小球沿順時針方向運(yùn)動。二 渦流重難歸納1.渦流的特點(diǎn)。當(dāng)電流在金屬塊內(nèi)自成閉合回路(產(chǎn)生渦流)時,由于整塊金屬的電阻很小,渦流往往很強(qiáng),根據(jù)公式P=I2R知,熱功率的大小與電流的二次方成正比,故金屬塊的發(fā)熱功率很大。2.渦流中的

8、能量轉(zhuǎn)化。渦流現(xiàn)象中,其他形式的能轉(zhuǎn)化成電能,并最終在金屬塊中轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。如果金屬塊放在變化的磁場中,則磁場能轉(zhuǎn)化為電能,最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能;如果金屬塊進(jìn)出磁場或在非勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動,則由于克服安培力做功,金屬塊的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。3.注意:(1)渦流是整塊導(dǎo)體發(fā)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象,同樣遵循法拉第電磁感應(yīng)定律。(2)磁場變化越快( 越大),導(dǎo)體的橫截面積S越大,導(dǎo)體材料的電阻率越小,形成的渦流就越大。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,說明其工作原理。提示:安檢門利用渦流探測金屬物品的工作原理是線圈中的交變電流產(chǎn)生交變磁場,使金屬物品

9、中產(chǎn)生渦流,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。典例剖析(多選)下列措施中為了防止渦流危害的是()A.電磁爐要用平厚底金屬鍋B.機(jī)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,而是用許多電阻率很大的硅鋼片疊合而成D.變壓器鐵芯的每片硅鋼片表面有不導(dǎo)電的氧化層答案:CD解析:電磁爐是采用電磁感應(yīng)原理,在金屬鍋上產(chǎn)生渦流,使鍋體發(fā)熱從而加熱食物的,屬于渦流的應(yīng)用,選項(xiàng)A錯誤。安檢門是利用渦流工作的,選項(xiàng)B錯誤。變壓器的鐵芯不做成整塊,而是用許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(nèi)產(chǎn)生的渦流,屬于渦流的防止,

10、選項(xiàng)C正確。變壓器鐵芯的每片硅鋼片表面有不導(dǎo)電的氧化層,是為了減小變壓器鐵芯內(nèi)產(chǎn)生的渦流,屬于渦流的防止,選項(xiàng)D正確。特別提醒為了減小電動機(jī)、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。學(xué)以致用(多選)下圖是高頻焊接原理示意圖。線圈中通以高頻變化的電流時,待焊接的金屬工件中就產(chǎn)生感應(yīng)電流,感應(yīng)電流通過焊縫產(chǎn)生大量熱,將金屬熔化,把工件焊接在一起,而工件其他部分發(fā)熱很少,以下說法正確的是()A.電流變化的頻率越高,焊縫處的溫度升高得越快B.電流變化的頻率越低,焊縫處的溫度升高得越快C.工件上只有焊縫處溫度升得很高是因?yàn)楹缚p處的電阻小D.工件上

11、只有焊縫處溫度升得很高是因?yàn)楹缚p處的電阻大答案:AD解析:交變電流的頻率越高,產(chǎn)生的感應(yīng)電流越強(qiáng),升溫越快,故選項(xiàng)A正確,B錯誤。工件上各處電流相同,電阻大處產(chǎn)生的熱量多,故選項(xiàng)D正確,C錯誤。三 電磁阻尼與電磁驅(qū)動重難歸納電磁阻尼和電磁驅(qū)動問題,其本質(zhì)仍然是電磁感應(yīng)問題,具體分析求解時,還需明確電磁阻尼與電磁驅(qū)動的區(qū)別與聯(lián)系(見下表)。比較項(xiàng)目電磁阻尼電磁驅(qū)動不同點(diǎn)成因由于導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動而產(chǎn)生感應(yīng)電流,從而使導(dǎo)體受到安培力由于磁場運(yùn)動引起磁通量的變化而產(chǎn)生感應(yīng)電流,從而使導(dǎo)體受到安培力效果導(dǎo)體所受安培力的方向與導(dǎo)體運(yùn)動方向相反,阻礙導(dǎo)體運(yùn)動導(dǎo)體所受安培力的方向與導(dǎo)體運(yùn)動方向相同,推動導(dǎo)體運(yùn)

12、動能量轉(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)能由于電磁感應(yīng),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(jī)械能聯(lián)系都屬于電磁感應(yīng)現(xiàn)象,電磁阻尼和電磁驅(qū)動中的安培力都阻礙導(dǎo)體與磁體間的相對運(yùn)動甲、乙兩個完全相同的銅環(huán)可繞固定軸OO旋轉(zhuǎn),給兩環(huán)以相同的初始角速度,使其開始轉(zhuǎn)動,由于阻力,經(jīng)過相同的時間后轉(zhuǎn)動便停止。將環(huán)置于磁感應(yīng)強(qiáng)度B大小相同的勻強(qiáng)磁場中,甲環(huán)的轉(zhuǎn)軸與磁場方向平行,乙環(huán)的轉(zhuǎn)軸與磁場方向垂直,如圖所示,若甲、乙兩環(huán)同時以相同的角速度開始轉(zhuǎn)動,請判斷哪個環(huán)先停下來?提示:由于轉(zhuǎn)動過程中穿過甲環(huán)的磁通量不變,穿過乙環(huán)的磁通量變化,所以甲環(huán)中不產(chǎn)生感應(yīng)電流,乙環(huán)

13、中產(chǎn)生感應(yīng)電流。乙環(huán)的機(jī)械能不斷地轉(zhuǎn)化為電能,最終轉(zhuǎn)化為焦耳熱散失掉,所以乙環(huán)先停下來。典例剖析掃描隧道顯微鏡(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定磁場;出現(xiàn)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()答案:A 解析:感應(yīng)電流產(chǎn)生的條件是閉合回路中的磁通量發(fā)生變化。在A圖中,系統(tǒng)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(fā)生變化,產(chǎn)生感應(yīng)電流,受到安培力,阻礙系統(tǒng)的振動,故選項(xiàng)A正確。在

14、B、D圖中,只有紫銅薄板左右振動才產(chǎn)生感應(yīng)電流,而上下振動無感應(yīng)電流產(chǎn)生,故選項(xiàng)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(chǎn)生感應(yīng)電流,故選項(xiàng)C錯誤。規(guī)律總結(jié)電磁阻尼和電磁驅(qū)動的分析:(1)電磁阻尼和電磁驅(qū)動都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象,均可以根據(jù)楞次定律和左手定則分析導(dǎo)體的受力情況。(2)電磁阻尼與電磁驅(qū)動現(xiàn)象中安培力的作用效果均為阻礙相對運(yùn)動,應(yīng)注意電磁驅(qū)動中,主動部分的速度(或角速度)大于被動部分的速度(或角速度)。學(xué)以致用(多選)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

15、比磁鐵小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答案:BC解析: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,選項(xiàng)C正確。線圈相對磁鐵轉(zhuǎn)過90 時,其感應(yīng)電流方向不再是abcda,選項(xiàng)D錯誤。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,如果兩者的角速度相同,磁感線與線圈會處于相對靜止?fàn)顟B(tài),線圈不切割磁感線,無感應(yīng)電流產(chǎn)生,選項(xiàng)A錯誤,B正確。隨 堂 訓(xùn) 練1.(多選)關(guān)于電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生電場,下列說法正確的是()A.感生電場不同于靜電場,其電場線是閉合曲線B.由感生電場產(chǎn)生的感生

16、電動勢的表達(dá)式為C.感生電場產(chǎn)生感生電動勢中的非靜電力是洛倫茲力D.感生電動勢對應(yīng)的非靜電力對自由電荷不做功答案:AB解析:磁場變化時在空間激發(fā)的電場稱為感生電場,不同于靜止電荷產(chǎn)生的電場(靜電場),其電場線是閉合曲線,選項(xiàng)A正確。變化的磁場引起磁通量的變化,進(jìn)而產(chǎn)生感生電動勢,所以感生電動勢的表達(dá)式為 ,選項(xiàng)B正確。感生電場產(chǎn)生感生電動勢中的非靜電力是感生電場對自由電荷的作用力,即電場力,對自由電荷做功,選項(xiàng)C、D錯誤。2.下列做法可能產(chǎn)生渦流的是()A.把金屬球放在勻強(qiáng)磁場中B.讓金屬球在勻強(qiáng)磁場中做勻速運(yùn)動C.讓金屬球在勻強(qiáng)磁場中做變速運(yùn)動D.把金屬球放在變化的磁場中答案:D解析:渦流就

17、是整個金屬球中產(chǎn)生的感應(yīng)電流,所以產(chǎn)生渦流的條件就是在金屬球中產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件,即穿過金屬球的磁通量發(fā)生變化,選項(xiàng)A、B、C錯誤。把金屬球放在變化的磁場中時,穿過金屬球的磁通量可能發(fā)生變化,可能有渦流產(chǎn)生,選項(xiàng)D正確。3.(多選)某空間出現(xiàn)了如圖所示的磁場,當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度變化時,在垂直于磁場的方向上會產(chǎn)生感生電場,有關(guān)磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化與感生電場的方向關(guān)系,下列描述正確的是()A.當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻增大時,感生電場的電場線從上向下看應(yīng)為順時針方向B.當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻增大時,感生電場的電場線從上向下看應(yīng)為逆時針方向C.當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻減小時,感生電場的電場線從上向下看應(yīng)為順時針方向D.當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度均

18、勻減小時,感生電場的電場線從上向下看應(yīng)為逆時針方向答案:AD 解析:感生電場中磁場的方向用楞次定律來判定,原磁場向上且磁感應(yīng)強(qiáng)度在增大,在周圍有閉合導(dǎo)線的情況下,感應(yīng)電流的磁場方向應(yīng)與原磁場方向相反,即感應(yīng)電流的磁場方向向下,再由安培定則知感應(yīng)電流的方向即感生電場的方向從上向下看應(yīng)為順時針方向;同理可知,原磁場方向向上且磁感應(yīng)強(qiáng)度減小時,感生電場的方向從上向下看應(yīng)為逆時針方向,選項(xiàng)A、D正確。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的方向是()A.先向左,后向右B.先向左,后向右,再向左C.一直向右D.一直向左答案:D解析: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