新教材2023-2024學年高中物理第2章電磁感應3渦流電磁阻尼和電磁驅動課件新人教版選擇性必修第二冊

第二章3渦流、電磁阻尼和電磁驅動學習目標1.了解渦流、電磁阻尼和電磁驅動的概念,會用其解釋自然現(xiàn)象,解決實際問題。(物理觀念)2.了解渦流的原理,能在問題情境中應用其性質進行分析,獲得結論。(科學思維)3.觀察電磁阻尼和電磁驅動現(xiàn)象,了解電磁阻尼和電磁驅動的原理及其在生活、生產中的應用。(科學思維)基礎落實·必備知識全過關重難探究·能力素養(yǎng)全提升目錄索引

學以致用·隨堂檢測全達標基礎落實·必備知識全過關一、電磁感應現(xiàn)象中的感生電場一個閉合回路靜止于磁場中,由于磁場強弱的變化,閉合電路內將會產生感應電動勢。1.感生電場:磁場

時會在空間激發(fā)一種電場,我們把它叫作感生電場。與空間是否存在閉合回路無關

2.感生電動勢:由

產生的感應電動勢。

3.感生電場的方向:與所產生的感應電流的方向相同,可根據

和

判斷。

變化

感生電場楞次定律安培定則二、渦流1.渦流:由于電磁感應,在導體中產生的像水中漩渦樣的

電流。

2.特點:若金屬電阻率很小,則渦流往往

,產生的熱量

。

3.應用(1)熱效應:

,

。

(2)磁效應:

,

。

4.防止:電動機、變壓器等設備中應防止鐵芯中渦流過大而導致浪費能量,損壞電器。(1)途徑一:增大鐵芯材料的

。

(2)途徑二:用互相絕緣的

疊成的鐵芯代替整塊硅鋼鐵芯。

感應很強很多真空冶煉爐電磁爐探雷器安檢門電阻率硅鋼片三、電磁阻尼和電磁驅動1.電磁阻尼(1)電磁阻尼:當導體在磁場中運動時,感應電流會使導體受到

,安培力總是阻礙導體的運動,這種現(xiàn)象稱為電磁阻尼。

安培力是阻力

(2)應用:磁電式電流表中利用

使指針迅速停止到某位置,便于讀數(shù)。

安培力電磁阻尼2.電磁驅動(1)電磁驅動:如果磁場相對于導體轉動,在導體中會產生

,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,這種作用常常稱為電磁驅動。

安培力是動力

(2)應用:交流感應電動機。

感應電流情境鏈接

用導線把電流表的兩個接線柱連在一起后,晃動電流表時,表針擺動的幅度為什么比沒連接接線柱時的小?提示

用導線把電流表的兩個接線柱連接起來后,就形成了閉合回路,晃動電流表時,產生感應電流阻礙表針的相對運動,即發(fā)生電磁阻尼現(xiàn)象。教材拓展如圖為電磁爐加熱原理圖。電磁爐為什么用平底鐵鍋做鍋具?提示

線圈中變化的磁場使平底鐵鍋底部產生渦流,從而使得鍋底溫度升高,起到加熱做飯或炒菜的作用。易錯辨析(1)如果空間不存在閉合電路,變化的磁場周圍不會產生感生電場。(

)(2)感生電場是由磁場的變化產生的。(

)(3)渦流跟平時常見的感應電流一樣,都是因為穿過導體的磁通量變化而產生的。(

)(4)只有在導體中才能產生渦流現(xiàn)象。(

)×提示

麥克斯韋認為,磁場的變化在空間激發(fā)一種電場,這種電場與是否存在閉合電路無關?！獭獭?5)電磁阻尼、電磁驅動都是電磁感應現(xiàn)象,都遵循楞次定律和法拉第電磁感應定律。(

)(6)電磁阻尼是由于電磁感應中安培力阻礙導體與磁場的相對運動產生的,而電磁驅動是由于電磁感應現(xiàn)象中安培力增強磁場與導體間的相對運動產生的。(

)√提示

電磁阻尼、電磁驅動都是由于磁通量的變化引起的,所以都遵循楞次定律和法拉第電磁感應定律?！撂崾?/p>

電磁感應現(xiàn)象中,安培力總是阻礙引起感應電流的磁場與導體間的相對運動。重難探究·能力素養(yǎng)全提升探究點一電磁感應現(xiàn)象中的感生電場導學探究如圖所示,B增強,那么就會在空間激發(fā)一個感生電場E。如果E處空間存在閉合導體,導體中的自由電荷就會在電場力的作用下定向移動,而產生感應電流。(1)感生電場的方向與感應電流的方向有什么關系?如何判斷感生電場的方向?(2)上述情況下,哪種作用力扮演了電源中非靜電力的角色?要點提示

(1)感應電流的方向與正電荷移動的方向相同,感生電場的方向與正電荷受力的方向相同,因此,感生電場的方向與感應電流的方向相同,感生電場的方向可以用楞次定律判定。(2)感生電場對自由電荷的作用力。知識歸納1.產生:如圖所示,當磁場變化時,產生感生電場。感生電場的電場線是與磁場垂直的曲線。2.方向:閉合環(huán)形回路(可假定存在)的電流方向就表示感生電場的電場方向。依據實際存在的或假定存在的回路結合楞次定律判定感生電場的方向。特別提示

感生電場力雖然是電場力但不是靜電力。它是一種非靜電力。應用體驗【例1】

著名物理學家費曼曾設計過這樣一個實驗裝置:一塊絕緣圓板可繞其中心的光滑軸自由轉動,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。當線圈接通電源后,將有圖示方向的電流流過,則下列說法正確的是(

)A.接通電源瞬間,圓板不會發(fā)生轉動B.線圈中電流的增大或減小都會引起圓板向與線圈中電流方向相同的方向轉動C.接通電源后,保持線圈中電流不變,圓板轉動方向與線圈中電流流向相同D.若金屬小球帶負電,接通電源瞬間圓板轉動方向與線圈中電流流向相同D解析

線圈接通電源瞬間,變化的磁場產生電場,從而導致帶電小球受到電場力,使其轉動,故A錯誤;線圈中電流增大或減小都會引起磁場的變化,從而產生電場,使小球受到電場力,從而轉動,但由于電場力與電荷帶正負電有關,故B錯誤;接通電源后,保持線圈中電流不變,則磁場不變,不會產生電場,小球不受到電場力,故C錯誤;接通電源瞬間小球受到電場力作用而轉動,由于金屬小球帶負電,故圓盤轉動方向與線圈中電流流向相同,故D正確。方法技巧

判斷感生電場方向的思路

對點演練1.現(xiàn)代科學研究中常用到高速電子,電子感應加速器就是利用感生電場加速電子的設備,如圖甲。電子感應加速器主要有上、下電磁鐵磁極和環(huán)形真空盒組成。當電磁鐵繞組通以變化的電流時,產生變化的磁場,穿過真空盒所包圍的區(qū)域內的磁通量也隨時間變化,這時真空盒空間內就產生感應渦旋電場,電子將在渦旋電場作用下加速。如圖乙所示(上圖為側視圖、下圖為真空盒的俯視圖),若電子被“約束”在半徑為R的圓周上運動,當電磁鐵繞組通有圖中所示的電流時(

)乙

甲A.若電子沿逆時針運動,保持電流的方向不變,當電流增大時,電子將加速B.若電子沿順時針運動,保持電流的方向不變,當電流增大時,電子將加速C.若電子沿逆時針運動,保持電流的方向不變,當電流減小時,電子將加速D.被加速時電子做圓周運動的周期不變答案

A解析

當電磁鐵繞組通有題圖中所示的電流時,由安培定則可知將產生向上的磁場,當電磁鐵繞組中電流增大時,根據楞次定律和安培定則可知,這時真空盒空間內產生順時針方向的感生電場,電子沿逆時針運動,電子將加速,選項A正確,選項B、C錯誤;由于電子被“約束”在半徑為R的圓周上運動,被加速時電子做圓周運動的周期減小,選項D錯誤。探究點二渦流導學探究高考考場用的金屬探測器是一根長的黑色扁棒,使用時監(jiān)考教師手持探測器,在考生前后左右和容易藏東西的部位劃過,如藏有金屬物品,即便是一粒金屬紐扣,探測器也會鳴響。金屬探測器的原理是什么?要點提示

金屬探測器通過其通有交變電流的探測線圈,在隱蔽金屬中產生渦流,渦流的磁場又影響探測線圈,從而改變原交變電流的大小和相位,從而起到探測作用。知識歸納1.對渦流的理解

本質電磁感應現(xiàn)象條件穿過金屬塊的磁通量發(fā)生變化,并且金屬塊本身可自行構成閉合回路特點整個導體回路的電阻一般很小,感應電流很大能量轉化伴隨著渦流現(xiàn)象,其他形式的能轉化成電能,最終在金屬塊中轉化為內能2.產生渦流的兩種情況(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。特別提示

(1)渦流是整塊導體發(fā)生的電磁感應現(xiàn)象,同樣遵循法拉第電磁感應定律。(2)磁場變化越快(越大),導體的橫截面積S越大,導體材料的電阻率越小,形成的渦流就越強。應用體驗【例2】

(多選)高頻焊接原理示意圖如圖所示,線圈通以高頻交變電流,金屬工件的焊縫中就產生大量焦耳熱,將焊縫熔化焊接,要使焊接處產生的熱量較大可(

)A.增大交變電流的電壓B.增大交變電流的頻率C.增大焊接縫的接觸電阻D.減小焊接縫的接觸電阻ABC解析

增大交變電流的電壓和交變電流的頻率均可使電流的變化率增大,由E=n知,感應電動勢和渦流均增大,焊接處的發(fā)熱功率增大,若增大焊接縫的接觸電阻,則焊接處的電壓、功率分配就增大,產生的熱量就會增大,故A、B、C正確,D錯誤。對點演練2.(多選)“電磁感應鋁箔封口機”被廣泛應用在醫(yī)藥、食品、化工等生產行業(yè)的產品封口環(huán)節(jié)中,如圖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(fā)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,達到迅速封口的目的。下列有關說法正確的是(

)A.封口材料可用普通塑料來代替鋁箔B.該封口機可用干電池作為電源以方便攜帶C.封口過程中溫度過高,可適當減小所通電流的頻率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CD解析

由于封口機利用了電磁感應原理,故封口材料必須是金屬類材料,而且電源必須是交流電源,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,即控制溫度,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。探究點三電磁阻尼和電磁驅動導學探究如圖所示,蹄形磁鐵和矩形線圈均可繞豎直軸轉動。(1)如果將磁鐵拿走,輕轉線圈,觀察線圈的轉動,若安裝上磁鐵,用同樣的力轉動線圈,你會觀察到兩次現(xiàn)象有什么不同,為什么?要點提示

觀察到沒有磁鐵時線圈轉動的時間比有磁鐵時轉動的時間長很多。有磁鐵時,線圈轉動會產生感應電流,感應電流的安培力阻礙線圈的轉動。(2)先讓線圈靜止,轉動磁鐵,觀察線圈有什么現(xiàn)象發(fā)生,為什么?要點提示

觀察到線圈隨著磁鐵的轉動會慢慢轉動起來。線圈中產生感應電流,感應電流的安培力阻礙線圈相對磁鐵的運動,即使線圈慢慢隨磁鐵轉動起來。知識歸納電磁阻尼與電磁驅動的比較

比較項目電磁阻尼電磁驅動不同點成因由于導體在磁場中運動而產生感應電流,從而使導體受到安培力由于磁場運動引起磁通量的變化而產生感應電流,從而使導體受到安培力效果安培力的方向與導體運動方向相反,阻礙導體運動導體受安培力的方向與導體運動方向相同,推動導體運動能量轉化導體克服安培力做功,其他形式的能轉化為電能,最終轉化為內能由于電磁感應,磁場能轉化為電能,通過安培力做功,電能轉化為導體的機械能,從而對外做功相同點兩者都是電磁感應現(xiàn)象,都遵循楞次定律,都是安培力阻礙引起感應電流的磁場與導體間的相對運動特別提示

(1)電磁阻尼、電磁驅動都是電磁感應現(xiàn)象,都遵循楞次定律。(2)電磁阻尼、電磁驅動現(xiàn)象中安培力的作用效果都是阻礙相對運動,應注意電磁驅動中阻礙的結果。若磁鐵運動,線圈中產生感應電流的結果是安培力的方向與磁鐵運動方向相同,即電磁驅動;若磁場不動,線圈運動,則產生感應電流的結果是阻礙線圈運動,即電磁阻尼。應用體驗【例3】

如圖所示,彈簧上端固定,下端掛一個條形磁體,使磁體上下振動,磁體的振動幅度不變。若在振動過程中把線圈靠近磁體,觀察磁體的振幅將會發(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閉合或斷開,振幅都不發(fā)生變化A解析

S斷開時,磁體振動,穿過線圈的磁通量發(fā)生變化,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,磁體的機械能越來越少,振幅逐漸減小。選項A正確。對點演練3.(多選)如圖所示,條形磁體位于固定的半圓光滑軌道的圓心位置。一半徑為R、質量為m的金屬球從半圓軌道的一端沿半圓軌道由靜止下滑。重力加速度大小為g。下列說法正確的是(

)A.金屬球會運動到半圓軌道的另一端B.由于金屬球沒有形成閉合電路,所以金屬球中不會產生感應電流C.金屬球受到的安培力做負功D.系統(tǒng)產生的總熱量為mgRCD解析

在金屬球運動的過程中,穿過金屬球的磁通量不斷變化,在金屬球內形成閉合回路,產生渦流,金屬球受到的安培力做負功,金屬球產生的熱量不斷增加,機械能不斷減少,直至金屬球停在半圓軌道的最低點,C正確,A、B錯誤;根據能量守恒定律得系統(tǒng)產生的總熱量為mgR,D正確。學以致用·隨堂檢測全達標123451.(電磁感應中的感生電場)在如圖所示的四種磁場情況中能產生恒定的感生電場的是(

)C解析

恒定的感生電場由均勻變化的磁場產生,C正確。

123452.(電磁驅動)內壁光滑的塑料管彎成的圓環(huán)平放在水平桌面上,環(huán)內有一帶負電的小球,整個裝置處在豎直向下的磁場中,如圖所示。當磁場突然增強時,小球(

)A.沿順時針方向運動B.沿逆時針方向運動C.在原位置附近往復運動D.仍保持靜止狀態(tài)A解析

磁場突然增強時,激發(fā)出逆時針方向的感生電場,對負電荷的作用力為順時針,故小球沿順時針方向運動。123453.(電磁阻尼)如圖所示,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(xiàn)把一個蹄形磁鐵移近銅盤,則(

)A.銅盤轉動將變慢B.銅盤轉動將變快C.銅盤仍以原來的轉速轉動D.銅盤轉動速度是否變化,要根據磁鐵的上、下兩端的極性來決定A解析

當一個蹄形磁鐵移近銅盤時,銅盤轉動切割磁感線,產生感應電流,由楞次定律可知感應電流所受的安培力阻礙其相對運動,所以銅盤轉動將變慢。本題也可以從能量守恒的角度去分析,因為銅盤轉動切割磁感線,產生感應電流,銅盤的機械能不斷轉化成電能,銅盤轉動會逐漸變慢。選項A正確。123454.(渦流)(多選)機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,關于其工作原理,下列說法正確的是(

)A.人身上攜帶的金屬物品會被地磁場磁化,在線圈中產生感應電流B.人體在通有交變電流的線圈產生的磁場中運動,產生感應電動勢并