第3節(jié)　渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動 教學(xué)課件

物理第二章電磁感應(yīng)第3節(jié)渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動[學(xué)習(xí)目標(biāo)]1．了解渦流是怎樣產(chǎn)生的。2．了解渦流現(xiàn)象的利用和危害。3．通過對渦流實例的分析，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。01必備知識素養(yǎng)奠基02關(guān)鍵能力素養(yǎng)形成03分層演練素養(yǎng)達標(biāo)知識點1電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生電場1．感生電場：磁場_______時在空間激發(fā)的一種電場，它是由英國物理學(xué)家______________提出的。2．感生電動勢：由______________產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢，它的方向與感生電場的方向_______，與感應(yīng)電流的方向_______。變化麥克斯韋感生電場相同相同3．感生電動勢中的非靜電力：______________對自由電荷的作用力。[判一判]1．(1)感生電場可以對電荷做功。(

)(2)磁場越強，磁場變化時產(chǎn)生的感生電場越強。(

)感生電場√×知識點2渦流1．概念：由于______________，在導(dǎo)體中產(chǎn)生的看起來像水中旋渦的感應(yīng)電流。2．特點：整塊金屬的電阻率很小，渦流往往_______，產(chǎn)生的熱量_______。3．應(yīng)用(1)渦流熱效應(yīng)的應(yīng)用：如______________。(2)渦流磁效應(yīng)的應(yīng)用：如_______、_______。電磁感應(yīng)很強很多真空冶煉爐探雷器安檢門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_______，常用的鐵芯材料是硅鋼。(2)途徑二：用相互絕緣的_______疊成的鐵芯代替整塊硅鋼鐵芯。電阻率硅鋼片[判一判]2．(1)通過增大鐵芯材料的電阻率可以減小渦流的產(chǎn)生。(

)(2)變壓器的鐵芯用硅鋼片疊成是為了減小渦流。(

)√√知識點3電磁阻尼1．概念：當(dāng)導(dǎo)體在磁場中運動時，_______電流會使導(dǎo)體受到安培力，安培力的方向總是_______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擺動，便于讀數(shù)。感應(yīng)阻礙知識點4電磁驅(qū)動1．概念：磁場相對于導(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_______的作用，_______使導(dǎo)體______________的現(xiàn)象。2．應(yīng)用：交流感應(yīng)電動機。安培力安培力運動起來[判一判]3．(1)在電磁阻尼與電磁驅(qū)動中安培力所起的作用相同。(

)(2)交流感應(yīng)電動機利用了電磁阻尼的原理。(

)××1．(對感生電場的理解)(多選)某空間出現(xiàn)了如圖所示的一組閉合的電場線，這可能是(

)

A．沿AB方向磁場的迅速減弱B．沿AB方向磁場的迅速增強C．沿BA方向磁場的迅速增強D．沿BA方向磁場的迅速減弱√√解析：假設(shè)存在圓形閉合回路，回路中應(yīng)產(chǎn)生與電場同向的感應(yīng)電流，由安培定則，感應(yīng)電流的磁場向下，所以根據(jù)楞次定律，引起感應(yīng)電流的應(yīng)是方向向下的磁場迅速減弱或方向向上的磁場迅速增強，故A、C正確。2．(渦流的應(yīng)用)(多選)安檢門是用于安全檢查的“門”，“門框”內(nèi)有線圈，線圈里通有交變電流，交變電流在“門”內(nèi)產(chǎn)生交變磁場，金屬物品通過“門”時能產(chǎn)生渦流，渦流的磁場又反過來影響線圈中的電流，從而引起報警，以下關(guān)于這個安檢門的說法正確的是(

)A．這個安檢門也能檢查出毒品攜帶者B．這個安檢門只能檢查出金屬物品攜帶者C．如果這個“門框”的線圈中通上恒定電流，也能檢查出金屬物品攜帶者D．這個安檢門工作時，既利用了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，又利用了電流的磁效應(yīng)√√解析：這個安檢門是利用渦流工作的，因而只能檢查出金屬物品攜帶者，A錯誤，B正確；若“門框”的線圈中通上恒定電流，只能產(chǎn)生恒定磁場，它不能使塊狀金屬產(chǎn)生電流，因而不能檢查出金屬物品攜帶者，C錯誤；安檢門工作時，既利用了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，又利用了電流的磁效應(yīng)，D正確。3．(對電磁阻尼的理解)(多選)如圖所示，磁電式儀表的線圈通常是用鋁框做骨架，把線圈繞在鋁框上，這樣做的目的是(

)

A．防止渦流B．利用渦流C．起電磁阻尼的作用

D．起電磁驅(qū)動的作用√√解析：線圈通電后在安培力作用下轉(zhuǎn)動，鋁框隨之轉(zhuǎn)動，在鋁框內(nèi)產(chǎn)生渦流，渦流將阻礙線圈的轉(zhuǎn)動，使線圈偏轉(zhuǎn)后盡快停下來，這樣做是利用渦流來起電磁阻尼的作用。4．(對電磁驅(qū)動的理解)如圖所示，光滑水平絕緣面上有兩個金屬環(huán)靜止在平面上，環(huán)1豎直放置，環(huán)2水平放置，均處于中間分割線上，在平面中間分割線正上方有一條形磁鐵，當(dāng)磁鐵沿中間分割線向右運動時，下列說法正確的是(

)A．兩環(huán)都向右運動

B．兩環(huán)都向左運動C．環(huán)1靜止，環(huán)2向右運動

D．兩環(huán)都靜止√解析：條形磁鐵向右運動時，環(huán)1中磁通量保持為0不變，無感應(yīng)電流，仍靜止；環(huán)2中磁通量變化，根據(jù)楞次定律，為阻礙磁通量的變化，感應(yīng)電流的效果使環(huán)2向右運動。探究一對感生電動勢的理解【問題導(dǎo)引】著名物理學(xué)家費曼曾設(shè)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(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)線圈接通電源瞬間圓板發(fā)生轉(zhuǎn)動，這是為什么？提示：線圈接通電源瞬間，變化的磁場產(chǎn)生變化的電場，從而導(dǎo)致帶電小球受到電場力，使其轉(zhuǎn)動。1．感生電動勢與動生電動勢的產(chǎn)生原理(1)磁感應(yīng)強度變化產(chǎn)生的感生電動勢是由變化的磁場產(chǎn)生感生電場，線圈中的自由電荷受到靜電力作用定向移動形成的。(2)導(dǎo)體切割磁感線產(chǎn)生的動生電動勢是自由電荷受到洛倫茲力作用定向移動形成的。2.感生電動勢與動生電動勢的比較

感生電動勢動生電動勢產(chǎn)生原因磁場的變化導(dǎo)體做切割磁感線運動移動電荷的非靜電力感生電場對自由電荷的靜電力導(dǎo)體中自由電荷所受洛倫茲力沿導(dǎo)體方向的分力【例1】(多選)某空間出現(xiàn)了如圖所示的磁場，當(dāng)磁感應(yīng)強度變化時，在垂直于磁場的方向上會產(chǎn)生感生電場，下列有關(guān)磁感應(yīng)強度的變化與感生電場的方向關(guān)系的描述正確的是(

)A．當(dāng)磁感應(yīng)強度均勻增大時，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)強度均勻減小時，感生電場的電場線從上向下看應(yīng)為逆時針方向√√[解析]

感生電場中電場線的方向用楞次定律來判定。原磁場向上且磁感應(yīng)強度在增大，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，再由安培定則得到感應(yīng)電流的方向從上向下看應(yīng)為順時針方向，則感生電場的方向從上向下看為順時針方向；同理可知，原磁場方向向上且磁感應(yīng)強度減小時，感生電場的方向從上向下看應(yīng)為逆時針方向，所以A、D正確。[針對訓(xùn)練1]一個水平放置的圓環(huán)形玻璃小槽如圖所示，槽內(nèi)光滑，槽的寬度和深度處處相同?，F(xiàn)將一直徑略小于槽寬的帶正電小球放在槽中，讓它獲得一初速度v0，與此同時，有一變化的磁場垂直穿過玻璃圓環(huán)形小槽外徑所在的區(qū)域，磁感應(yīng)強度的大小跟時間成正比例增大，方向豎直向下。設(shè)小球在運動過程中電荷量不變，則(

)A．小球需要的向心力大小不變B．小球需要的向心力大小不斷增大C．磁場力對小球做了功D．小球受到的磁場力大小與時間成正比√解析：當(dāng)磁感應(yīng)強度隨時間均勻增大時，將產(chǎn)生一恒定的感生電場，由楞次定律知，電場方向和小球初速度方向相同，因小球帶正電，電場力對小球做正功，小球速率逐漸增大，向心力也隨著增大，故A錯誤，B正確；洛倫茲力對運動電荷不做功，故C錯誤；帶電小球所受洛倫茲力F＝qBv，隨著速率的增大而增大，同時B∝t，則F和t不成正比，故D錯誤。探究二對渦流的理解【問題導(dǎo)引】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？提示：金屬探測器通過其通有交流電的探測線圈，會在隱蔽金屬中激起渦流，反射回探測線圈，從而改變原交流電的大小和相位，從而起到探測作用。1．渦流的產(chǎn)生渦流實際上是一種特殊的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，當(dāng)導(dǎo)體處在變化的磁場中，或者導(dǎo)體在非勻強磁場中運動時，導(dǎo)體內(nèi)部可以等效成許許多多的閉合電路，當(dāng)穿過這些閉合電路的磁通量變化時，在導(dǎo)體內(nèi)部的這些閉合電路中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，即導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生了渦流。2．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。如果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；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。3．渦流的防止和利用(1)為了減小渦流，變壓器、電機里的鐵芯不是由整塊的鋼鐵制成的，而是用薄薄的硅鋼片疊合而成。(2)用來冶煉合金鋼的真空冶煉爐，爐外有線圈，線圈中通入反復(fù)變化的電流，爐內(nèi)的金屬中產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生的熱量使金屬熔化?！纠?】(多選)如圖所示，在線圈上端放置一盛有冷水的金屬杯，現(xiàn)接通交流電源，過了幾分鐘，杯內(nèi)的水沸騰起來。若要縮短上述加熱時間，下列措施可行的有(

)A．增加線圈的匝數(shù)B．提高交流電源的頻率C．將金屬杯換為瓷杯D．取走線圈中的鐵芯√√[解析]

增大線圈的匝數(shù)，可以增大通過金屬杯的磁通量及磁通量的變化率，從而增大金屬杯中產(chǎn)生感應(yīng)電流的大小，增大加熱功率，縮短加熱時間，A正確；提高交流電的頻率，最大磁通量不變，但交替變化快也能提高磁通量的變化率，產(chǎn)生更大的感應(yīng)電流，達到縮短加熱時間的目的，B正確；瓷杯是絕緣體，不能產(chǎn)生感應(yīng)電流，不能加熱，C錯誤；取走鐵芯，金屬杯中的磁通量變小，磁通量的變化率也變小，從而導(dǎo)致加熱功率變小，加熱時間加長，D錯誤?！纠?】電磁爐熱效率高達90%，爐面無明火，無煙無廢氣，電磁“火力”強勁，安全可靠。描述電磁爐工作原理的示意圖如圖所示，下列說法正確的是(

)A．當(dāng)恒定電流通過線圈時，會產(chǎn)生恒定磁場，恒定磁場越強，電磁爐加熱效果越好B．電磁爐通電線圈加交流電后，在鍋底產(chǎn)生渦流，進而發(fā)熱工作C．電磁爐的鍋不能用陶瓷鍋或耐熱玻璃鍋，主要原因是這些材料的導(dǎo)熱性能較差D．在鍋和電磁爐中間放一紙板，則電磁爐不能起到加熱作用√[解析]

電磁爐采用的是渦流感應(yīng)加熱原理，其內(nèi)部電子線路板組成部分產(chǎn)生交變磁場。當(dāng)把鐵質(zhì)鍋具底部放置在爐面時，鍋具底部金屬部分產(chǎn)生渦流，使鍋具鐵分子高速無規(guī)則運動，分子互相碰撞、摩擦而產(chǎn)生熱量，用來加熱和烹飪食物，從而達到煮食的目的，故A錯誤，B正確；電磁爐工作時需要在鍋底產(chǎn)生感應(yīng)電流，陶瓷鍋或耐熱玻璃鍋不屬于金屬導(dǎo)體，不能產(chǎn)生感應(yīng)電流，C錯誤；通電線圈產(chǎn)生的磁場能穿透紙板到達鍋底，在鍋底產(chǎn)生感應(yīng)電流，利用電流的熱效應(yīng)起到加熱作用，D錯誤。[針對訓(xùn)練2]

(多選)高頻焊接原理示意圖如圖所示。線圈中通以高頻交變電流時，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，而工件其他部分發(fā)熱很少，以下說法正確的是(

)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為焊縫處的電阻小D．工件上只有焊縫處溫度升得很高是因為焊縫處的電阻大√√解析：交變電流的頻率越高，它產(chǎn)生的磁場的變化就越快。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，在待焊接工件中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢就越大，感應(yīng)電流就越大，而放出的熱量與電流的平方成正比，所以交變電流的頻率越高，焊縫處放出的熱量越多；焊縫處與其他地方的電流大小一樣，根據(jù)Q＝I2Rt，工件上只有焊縫處溫度升得高，是因為焊縫處電阻很大，故A、D正確。探究三電磁阻尼與電磁驅(qū)動【問題導(dǎo)引】1.彈簧上端固定，下端懸掛一個磁鐵。將磁鐵托起到某一高度后放開，磁鐵能上下振動較長時間才停下來。如果在磁鐵下端放一個固定的閉合線圈，使磁鐵上下振動時穿過它(如圖所示)，磁鐵就會很快停下來，解釋這個現(xiàn)象。2．一個閉合線圈放在蹄形磁鐵的兩磁極之間，如圖所示，蹄形磁鐵和閉合線圈都可以繞軸轉(zhuǎn)動。當(dāng)蹄形磁鐵順時針轉(zhuǎn)動時線圈也順時針轉(zhuǎn)動；蹄形磁鐵逆時針轉(zhuǎn)動時線圈也逆時針轉(zhuǎn)動。

(1)蹄形磁鐵轉(zhuǎn)動時，穿過線圈的磁通量是否變化？(2)使線圈轉(zhuǎn)動起來的力是什么力？線圈的轉(zhuǎn)動速度與磁鐵的轉(zhuǎn)動速度之間有什么關(guān)系？提示：1.當(dāng)磁鐵穿過固定的閉合線圈時，在閉合線圈中會產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流的磁場會阻礙磁鐵靠近或離開線圈，也就使磁鐵振動時除了受空氣阻力外，還要受到線圈的磁場阻力，克服阻力需要做的功較多，機械能損失較快，因而會很快停下來。2．(1)變化。(2)線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流因此線圈受到安培力的作用，安培力作為動力使線圈轉(zhuǎn)動起來。線圈的轉(zhuǎn)動速度小于磁鐵的轉(zhuǎn)動速度。1．電磁驅(qū)動和電磁阻尼的形成原因當(dāng)蹄形磁鐵轉(zhuǎn)動時，穿過線圈的磁通量就發(fā)生變化。例如，線圈處于如圖所示的初始狀態(tài)時，穿過線圈的磁通量為0，當(dāng)蹄形磁鐵轉(zhuǎn)動時，穿過線圈的磁通量就增加了，根據(jù)楞次定律，此時線圈中就有感應(yīng)電流產(chǎn)生，以阻礙磁通量的增加，因而線圈會跟著一起轉(zhuǎn)動起來；從動力學(xué)的觀點來看，線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電流受到的安培力是使線圈轉(zhuǎn)動起來的力，對線圈而言是電磁驅(qū)動；而線圈對磁鐵的作用力對磁鐵的轉(zhuǎn)動起阻礙作用，對磁鐵而言是電磁阻尼，因此電磁驅(qū)動和電磁阻尼是矛盾的兩個方面，不可分割。2．電磁阻尼與電磁驅(qū)動的比較

電磁阻尼電磁驅(qū)動不同點成因?qū)w在磁場中運動產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而使導(dǎo)體受到安培力磁場運動引起磁通量的變化產(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)體運動方向相反，阻礙導(dǎo)體運動導(dǎo)體所受安培力的方向與導(dǎo)體運動方向相同，推動導(dǎo)體運動

電磁阻尼電磁驅(qū)動不同點能量轉(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)體的機械能相同點兩者都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象【例4】如圖所示，磁鐵的兩極之間放置一個線圈abcd，磁鐵和線圈都可以繞OO′軸轉(zhuǎn)動，當(dāng)磁鐵按圖示方向繞OO′軸轉(zhuǎn)動時，線圈的運動情況是(

)A．俯視，線圈順時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速與磁鐵相同B．俯視，線圈逆時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速與磁鐵相同C．線圈與磁鐵轉(zhuǎn)動方向相同，但轉(zhuǎn)速小于磁鐵的轉(zhuǎn)速D．線圈靜止不