教學(xué)設(shè)計(jì)完整版：渦流

渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)教學(xué)設(shè)計(jì)【教學(xué)目標(biāo)】1．知道渦流是如何產(chǎn)生的。2．知道渦流對(duì)我們有不利和有利的兩方面，以及如何利用和防止。3．知道電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)。重點(diǎn)：1．渦流的概念及其應(yīng)用。2．電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)的實(shí)例分析。難點(diǎn)：電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)的實(shí)例分析?！咀灾黝A(yù)習(xí)】1．渦流概念:2、渦流的防止和利用（１）．用來(lái)冶煉合金鋼的真空___________，爐外有___________，線圈中通入___________電流，爐內(nèi)的金屬中產(chǎn)生___________．渦流產(chǎn)生的___________使金屬熔化并達(dá)到很高的溫度．（2）．利用渦流冶煉金屬的優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)過程能在___________中進(jìn)行，這樣就能防止___________進(jìn)入金屬，可以冶煉高質(zhì)量的___________．（3）．探測(cè)地雷的探雷器是利用渦流工作的，士兵手持一個(gè)長(zhǎng)柄線圈從地面掃過，線圈中___________有的電流．如果地下埋著___________，金屬中會(huì)感應(yīng)出___________，渦流的___________又會(huì)反過來(lái)影響線圈中的___________，使儀器報(bào)警．3、電磁阻尼：4．電磁驅(qū)動(dòng)：【典型例題】一、渦流的利用【例1】如圖4－7－3所示是高頻焊接原理示意圖．線圈中通以高頻變化的電流時(shí)，待焊接的金屬工件中就產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流通過焊縫處產(chǎn)生大量熱量，將金屬熔化，把工件焊接在一起，而工件其它部分發(fā)熱很少，以下說(shuō)法正確的是()A．交流電的頻率越高，焊縫處的溫度升高得越快B．交流電的頻率越低，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．工件上只有焊縫處溫度升得很高是因?yàn)楹缚p處的電阻大二、電磁驅(qū)動(dòng)【例2】如圖4－7－4所示，蹄形磁鐵的兩極之間放置一個(gè)線圈abcd，磁鐵和線圈都可以繞OO′軸轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)磁鐵按圖示方向繞OO′軸轉(zhuǎn)動(dòng)，線圈的運(yùn)動(dòng)情況是()A．俯視，線圈順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速與磁鐵相同B．俯視，線圈逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速與磁鐵相同C．線圈與磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，但轉(zhuǎn)速小于磁鐵的轉(zhuǎn)速D．線圈靜止不動(dòng)三、電磁阻尼的應(yīng)用【例3】如圖所示，abcd是一閉合的小金屬線框，用一根絕緣的細(xì)桿掛在固定點(diǎn)O，使金屬線框在豎直平面內(nèi)來(lái)回?cái)[動(dòng)的過程穿過水平方向的勻強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域，磁感線方向跟線框平面垂直，若懸點(diǎn)摩擦和空氣阻力不計(jì)，則()A.線框進(jìn)入或離開磁場(chǎng)區(qū)域時(shí)，都產(chǎn)生感應(yīng)電流，而且電流的方向相反B.線框進(jìn)入磁場(chǎng)區(qū)域后，越靠近OO′線時(shí)速度越大，因而產(chǎn)生的感應(yīng)電流也越大C.線框開始擺動(dòng)后，擺角會(huì)越來(lái)越小，擺角小到某一值后將不再減小D.線框擺動(dòng)過程中，機(jī)械能完全轉(zhuǎn)化為線框電路中的電能四、電磁感應(yīng)問題的綜合應(yīng)用【例4】如圖2所示，一直導(dǎo)體棒質(zhì)量為m、長(zhǎng)為l、電阻為r，其兩端放在位于水平面內(nèi)間距也為l的光滑平行導(dǎo)軌上，并與之密接；棒左側(cè)兩導(dǎo)軌之間連接一可控制的負(fù)載電阻(圖中未畫出)；導(dǎo)軌置于勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小為B，方向垂直于導(dǎo)軌所在平面．開始時(shí)，給導(dǎo)體棒一個(gè)平行于導(dǎo)軌的初速度v0.在棒的運(yùn)動(dòng)速度由v0減小至v1的過程中，通過控制負(fù)載電阻的阻值使棒中的電流強(qiáng)度I保持恒定．導(dǎo)體棒一直在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)．若不計(jì)導(dǎo)軌電阻，求此過程中導(dǎo)體棒上感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的平均值和負(fù)載電阻上消耗的平均功率．【課后練習(xí)】1.下列關(guān)于渦流的說(shuō)法中正確的是()A．渦流跟平時(shí)常見的感應(yīng)電流一樣，都是因?yàn)榇┻^導(dǎo)體的磁通量變化而產(chǎn)生的B．渦流不是感應(yīng)電流，而是一種有別于感應(yīng)電流的特殊電流C．渦流有熱效應(yīng)，但沒有磁效應(yīng)D．在硅鋼中不能產(chǎn)生渦流2．如圖4－7－5所示，在O點(diǎn)正下方有一個(gè)具有理想邊界的方形磁場(chǎng)，銅球在A點(diǎn)由靜止釋放，向右擺到最高點(diǎn)B，不考慮空氣及摩擦阻力，則下列說(shuō)法正確的是()A．A、B兩點(diǎn)在同一水平面上B．A點(diǎn)高于B點(diǎn)C．A點(diǎn)低于B點(diǎn)D．銅球?qū)⒆龅确鶖[動(dòng)3．如圖4－7－6所示，在光滑絕緣水平面上，有一鋁質(zhì)圓形金屬球以一定的初速度通過有界勻強(qiáng)磁場(chǎng)，則從球開始進(jìn)入磁場(chǎng)到完全穿出磁場(chǎng)過程中(磁場(chǎng)寬度大于金屬球的直徑)，則小球()A．整個(gè)過程勻速運(yùn)動(dòng)B．進(jìn)入磁場(chǎng)過程中球做減速運(yùn)動(dòng)，穿出過程做加速運(yùn)動(dòng)C．整個(gè)過程都做勻減速運(yùn)動(dòng)D．穿出時(shí)的速度一定小于初速度4.下列現(xiàn)象屬電磁阻尼的是________，屬電磁驅(qū)動(dòng)的是________．A．磁電式儀表線圈的骨架用鋁框來(lái)做B．微安表的表頭在運(yùn)輸時(shí)要把兩接線框短接C．自制金屬地雷探測(cè)器D．交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)E．當(dāng)圖4－7－7中B變大時(shí)，a、b在固定光滑導(dǎo)軌上滑動(dòng)5.變壓器的鐵芯是利用薄硅鋼片疊壓而成的，而不是采用一整塊硅鋼，這是因?yàn)?)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．增大鐵芯中的電阻，以產(chǎn)生更多的熱量D．增大鐵芯中的電阻，以減小發(fā)熱量6．在水平放置的光滑導(dǎo)軌上，沿導(dǎo)軌固定一個(gè)條形磁鐵，如圖3所示．現(xiàn)有銅、鋁和有機(jī)玻璃制成的滑塊甲、乙、丙，使它們從導(dǎo)軌上的A點(diǎn)以某一初速度向磁鐵滑去．各滑塊在未接觸磁鐵前的運(yùn)動(dòng)情況將是()A．都做勻速運(yùn)動(dòng)B．甲、乙做加速運(yùn)動(dòng)C．甲、乙做減速運(yùn)動(dòng)D．乙、丙做勻速運(yùn)動(dòng)7．某磁場(chǎng)磁感線如圖4所示，有銅盤自圖示A位置落至B位置，在下落過程中，自上向下看，線圈中的渦流方向是()A．始終順時(shí)針B．始終逆時(shí)針C．先順時(shí)針再逆時(shí)針D．先逆時(shí)針再順時(shí)針8．如圖5所示是電表中的指針和電磁阻尼器，下列說(shuō)法中正確的是()A．2是磁鐵，在1中產(chǎn)生渦流B．1是磁鐵，在2中產(chǎn)生渦流C．該裝置的作用是使指針能夠轉(zhuǎn)動(dòng)D．該裝置的作用是使指針能很快地穩(wěn)定9．如圖6所示，一塊長(zhǎng)方形光滑鋁板A1水平放在桌面上，鋁板右端拼接一根與鋁板等厚的條形磁鐵，一質(zhì)量分布均勻的閉合鋁球以初速度v從板的左端沿中線向鋁板的右端滾動(dòng)，則()A．鋁球的滾動(dòng)速度將越來(lái)越小B．鋁球?qū)⒈３謩蛩贊L動(dòng)C．鋁球的運(yùn)動(dòng)將逐漸偏向條形磁鐵的N極或S極D．鋁球的運(yùn)動(dòng)速率不變，但運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變10．高頻感應(yīng)爐是用來(lái)熔化金屬對(duì)其進(jìn)行冶煉的，如圖7所示為冶煉金屬的高頻感應(yīng)爐的示意圖，爐內(nèi)放入被冶煉的金屬，線圈通入高頻交變電流，這時(shí)被治煉的金屬就能被熔化，這種冶煉方法速度快，溫度易控制，并能避免有害雜質(zhì)混入被煉金屬中，因此適于冶煉特種金屬．該爐的加熱原理是()A．利用線圈中電流產(chǎn)生的焦耳熱B．利用線圈中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)C．利用交變電流的交變磁場(chǎng)在爐內(nèi)金屬中產(chǎn)生的渦流D．給線圈通電的同時(shí)，給爐內(nèi)金屬也通了電11．彈簧上端固定，下端懸掛一根磁鐵．將磁鐵托到某一高度后放開，磁鐵能振動(dòng)較長(zhǎng)一段時(shí)間才停下來(lái)．如果在磁鐵下端放一個(gè)固定的閉合線圈，使磁鐵上下振動(dòng)時(shí)穿過它(如圖8所示)，磁鐵就會(huì)很快停下來(lái)．解釋這個(gè)現(xiàn)象，并說(shuō)明此現(xiàn)象中的能量轉(zhuǎn)化情況．12．如圖10所示，兩金屬桿ab和cd長(zhǎng)均為l，電阻均為R，質(zhì)量分別為M和m，M>m.用兩根質(zhì)量和電阻均可忽略的不可伸長(zhǎng)的柔軟導(dǎo)線將它們連成閉合回路，并懸掛在水平、光滑、不導(dǎo)電的圓棒兩側(cè)，兩金屬桿都處在水平位置．如圖所示，整個(gè)裝置處在一與回路平面相垂直的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，若金屬桿ab正好勻速向下運(yùn)動(dòng)，求其運(yùn)動(dòng)的速度．答案：例1.解析交流電頻率越高，則產(chǎn)生的感應(yīng)電流越強(qiáng)，升溫越快，工件電流相同，即電阻大，溫度高，放熱多．答案AD例2.解析當(dāng)磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由楞次定律知，線圈中有感應(yīng)電流產(chǎn)生，以阻礙磁通量的增加，即感應(yīng)電流的方向必定是使其受到的力矩的方向與磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，以減小磁通量的增加，因而線圈跟著轉(zhuǎn)起來(lái)，但轉(zhuǎn)速小于磁鐵的轉(zhuǎn)速．答案C例3.AC例4.答案eq\f(1,2)Bl(v0＋v1)eq\f(1,2)Bl(v0＋v1)I－I2r解析導(dǎo)體棒所受的安培力為F＝IlB①該力大小不變，棒做勻減速運(yùn)動(dòng)，因此在棒的速度從v0減小到v1的過程中，平均速度為eq\x\to(v)＝eq\f(1,2)(v0＋v1)②當(dāng)棒的速度為v時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小為E＝lvB③棒中的平均感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為eq\x\to(E)＝leq\x\to(v)B④由②④式得eq\x\to(E)＝eq\f(1,2)l(v0＋v1)B⑤導(dǎo)體棒中消耗的熱功率為P1＝I2r⑥負(fù)載電阻上消耗的平均功率為eq\x\to(P2)＝eq\x\to(E)I－P1⑦由⑤⑥⑦式得eq\x\to(P2)＝eq\f(1,2)l(v0＋v1)BI－I2r⑧課后練習(xí)：1.答案A解析渦流就是一種感應(yīng)電流，同樣是由于磁通量的變化產(chǎn)生的．2.答案B解析銅球在進(jìn)入和穿出磁場(chǎng)的過程中，穿過金屬球的磁通量發(fā)生變化，球中產(chǎn)生渦流，進(jìn)而產(chǎn)生焦耳熱，因此球的機(jī)械能減少，故A點(diǎn)高于B點(diǎn)．3.答案D解析小球進(jìn)出磁場(chǎng)時(shí)，有渦流產(chǎn)生，要受到阻力，故穿出時(shí)的速度一定小于初速度4.答案ABDE解析電磁阻尼是指導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)電流會(huì)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(dòng)；而電磁驅(qū)動(dòng)是磁場(chǎng)相對(duì)導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)，在導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流使導(dǎo)體受到安培力作用，安培力使導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)而不是阻礙導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)．5.答案BD解析不使用整塊硅鋼而是采用很薄的硅鋼片，這樣做的目的是增大鐵芯中的電阻，阻斷渦流回路，以減少電能轉(zhuǎn)化成鐵芯的內(nèi)能，提高效率，是為防止渦流而采取的措施．6.答案C解析銅塊、鋁塊向磁鐵靠近時(shí)，穿過它們的磁通量發(fā)生了變化，因此在其內(nèi)部產(chǎn)生渦流，反過來(lái)渦流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)對(duì)原磁場(chǎng)的變化起阻礙作用，所以銅塊和鋁塊向磁鐵運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受阻而減速，所以選項(xiàng)C正確．有機(jī)玻璃為非金屬，不產(chǎn)生渦流現(xiàn)象．7.答案C解析把銅盤從A至B的全過程分成兩個(gè)階段處理：第一階段是銅盤從A位置下落到具有最大磁通量的位置O，此過程中穿過銅盤磁通量的磁場(chǎng)方向向上且不斷增大，由楞次定律判斷感應(yīng)電流方向(自上向下看)是順時(shí)針的；第二階段是銅盤從具有最大磁通量位置O落到B位置，此過程中穿過銅盤磁通量的磁場(chǎng)方向向上且不斷減小，由楞次定律判斷感應(yīng)電流方向(自上向下看)是逆時(shí)針的，故C答案正確．8.答案AD解析這是渦流的典型應(yīng)用之一．當(dāng)指針擺動(dòng)時(shí)，1隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，2是磁鐵，那么在1中產(chǎn)生渦流，2對(duì)1的安培力將阻礙1的轉(zhuǎn)動(dòng)．總之不管1向哪個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，2對(duì)1的效果總起到阻尼作用．所以它能使指針很快地穩(wěn)定下來(lái)．9.答案A10.答案C11.答案當(dāng)磁鐵穿過固定的閉合線圈時(shí)，在閉合線圈中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的磁場(chǎng)會(huì)阻礙磁鐵和線圈靠近或離開，也就是磁鐵振動(dòng)時(shí)除了受空氣阻力外，還有線圈的磁場(chǎng)力阻礙，克服阻力需要做的功較多，彈簧振子的機(jī)械能損失較快，因而會(huì)很快停下來(lái)．機(jī)械能的轉(zhuǎn)化情況如下：機(jī)械能eq\b\lc\\rc\(\a\vs4\al\co1(\a\vs4\al\co1(\o(→,\s\up7(克服空氣阻力做功))內(nèi)能,\o(→,\s\up7(克服安培力做功))電能\o(→,\s\up7(電流做功))內(nèi)能)))12.答案v＝eq\f((M－m)gR,2B2l2)解析假設(shè)磁場(chǎng)B的方向是垂直紙面向里，ab桿向下勻速運(yùn)動(dòng)的速度為v，則ab桿切割磁感線產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小E=Blv,