人教版(新教材)高中物理選擇性必修2學(xué)案：2 3 渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)

人教版(新教材)高中物理選擇性必修第二冊(cè)PAGEPAGE13渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)〖學(xué)習(xí)目標(biāo)〗1.了解感生電場(chǎng)的概念，了解電子感應(yīng)加速器的工作原理.2.理解渦流的產(chǎn)生原理，了解渦流在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用.3.理解電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)的原理，了解其在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用．一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生電場(chǎng)1．感生電場(chǎng)麥克斯韋認(rèn)為，磁場(chǎng)變化時(shí)會(huì)在空間激發(fā)一種電場(chǎng)，這種電場(chǎng)叫作感生電場(chǎng)．2．感生電動(dòng)勢(shì)由感生電場(chǎng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)叫感生電動(dòng)勢(shì)．3．電子感應(yīng)加速器電子感應(yīng)加速器是利用感生電場(chǎng)使電子加速的設(shè)備，當(dāng)電磁鐵線圈中電流的大小、方向發(fā)生變化時(shí)，產(chǎn)生的感生電場(chǎng)使電子加速．二、渦流1．渦流：當(dāng)線圈中的電流隨時(shí)間變化時(shí)，線圈附近的任何導(dǎo)體中都會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，用圖表示這樣的感應(yīng)電流，就像水中的漩渦，所以把它叫作渦電流，簡(jiǎn)稱渦流．2．金屬塊中的渦流會(huì)產(chǎn)生熱量，利用渦流產(chǎn)生的熱量可以冶煉金屬．三、電磁阻尼當(dāng)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)體的運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為電磁阻尼．四、電磁驅(qū)動(dòng)若磁場(chǎng)相對(duì)于導(dǎo)體轉(zhuǎn)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)體受到安培力的作用，安培力使導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)起來(lái)，這種作用常常稱為電磁驅(qū)動(dòng)．判斷下列說(shuō)法的正誤．(1)只要磁場(chǎng)變化，即使沒(méi)有電路，在空間也將產(chǎn)生感生電場(chǎng)．(√)(2)處于變化磁場(chǎng)中的導(dǎo)體，其內(nèi)部自由電荷定向移動(dòng)，是由于受到感生電場(chǎng)的作用．(√)(3)渦流跟其他感應(yīng)電流一樣，都是因?yàn)榇┻^(guò)導(dǎo)體的磁通量變化而產(chǎn)生的．(√)(4)導(dǎo)體中有渦流時(shí)，導(dǎo)體沒(méi)有和其他元件組成閉合回路，故導(dǎo)體不會(huì)發(fā)熱．(×)(5)電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)均遵循楞次定律．(√)(6)電磁阻尼發(fā)生的過(guò)程，存在機(jī)械能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化．(√)(7)電磁驅(qū)動(dòng)中有感應(yīng)電流產(chǎn)生，電磁阻尼中沒(méi)有感應(yīng)電流產(chǎn)生．(×)一、電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生電場(chǎng)導(dǎo)學(xué)探究如圖1所示，B增強(qiáng)時(shí)，就會(huì)在空間激發(fā)一個(gè)感生電場(chǎng)E.如果E處空間存在閉合導(dǎo)體，導(dǎo)體中的自由電荷就會(huì)在電場(chǎng)力的作用下做定向移動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電流．圖1(1)感生電場(chǎng)的方向與感應(yīng)電流的方向有什么關(guān)系？如何判斷感生電場(chǎng)的方向？(2)上述情況下，哪種作用扮演了非靜電力的角色？〖答案〗(1)感應(yīng)電流的方向與正電荷定向移動(dòng)的方向相同．感生電場(chǎng)的方向與正電荷受力的方向相同，因此，感生電場(chǎng)的方向與感應(yīng)電流的方向相同，感生電場(chǎng)的方向可以用楞次定律來(lái)判定．(2)感生電場(chǎng)對(duì)自由電荷的作用．知識(shí)深化1．變化的磁場(chǎng)周圍產(chǎn)生感生電場(chǎng)，與閉合電路是否存在無(wú)關(guān)．如果在變化的磁場(chǎng)中放一個(gè)閉合電路，自由電荷在感生電場(chǎng)的作用下發(fā)生定向移動(dòng)．2．感生電場(chǎng)可用電場(chǎng)線形象描述．感生電場(chǎng)是一種渦旋電場(chǎng)，電場(chǎng)線是閉合的，而靜電場(chǎng)的電場(chǎng)線不閉合．3．感生電場(chǎng)的方向根據(jù)楞次定律用右手螺旋定則判斷，感生電動(dòng)勢(shì)的大小由法拉第電磁感應(yīng)定律E＝neq\f(ΔΦ,Δt)計(jì)算．(多選)某空間出現(xiàn)了如圖2所示的磁場(chǎng)，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度變化時(shí)，在垂直于磁場(chǎng)的方向上會(huì)產(chǎn)生感生電場(chǎng)，有關(guān)磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化與感生電場(chǎng)方向的關(guān)系，下列描述正確的是()圖2A．當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻增大時(shí)，感生電場(chǎng)的電場(chǎng)線從上向下看應(yīng)為順時(shí)針?lè)较駼．當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻增大時(shí)，感生電場(chǎng)的電場(chǎng)線從上向下看應(yīng)為逆時(shí)針?lè)较駽．當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻減小時(shí)，感生電場(chǎng)的電場(chǎng)線從上向下看應(yīng)為順時(shí)針?lè)较駾．當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻減小時(shí)，感生電場(chǎng)的電場(chǎng)線從上向下看應(yīng)為逆時(shí)針?lè)较颉即鸢浮紸D〖解析〗感生電場(chǎng)中磁場(chǎng)的方向用楞次定律來(lái)判定，原磁場(chǎng)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(chǎng)方向應(yīng)與原磁場(chǎng)方向相反，即感應(yīng)電流的磁場(chǎng)方向向下，再由右手螺旋定則知感應(yīng)電流的方向即感生電場(chǎng)的方向從上向下看應(yīng)為順時(shí)針?lè)较?；同理可知，原磁?chǎng)方向向上且磁感應(yīng)強(qiáng)度減小時(shí)，感生電場(chǎng)的方向從上向下看應(yīng)為逆時(shí)針?lè)较?，所以A、D正確．閉合回路(可假定其存在)的感應(yīng)電流方向就表示感生電場(chǎng)的方向．判斷思路如下：eq\x(假設(shè)存在垂直磁場(chǎng)方向的閉合回路)→eq\x(回路中的磁通量變化)eq\o(→,\s\up7(楞次定律),\s\do5(安培定則))eq\x(回路中感應(yīng)電流的方向)→eq\x(感生電場(chǎng)的方向)二、渦流導(dǎo)學(xué)探究如圖3所示，線圈中的電流隨時(shí)間變化時(shí)，導(dǎo)體中有感應(yīng)電流嗎？如果有，它的形狀像什么？圖3〖答案〗有．變化的電流產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生感生電場(chǎng)，使導(dǎo)體中的自由電子發(fā)生定向移動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電流，它的形狀像水中的漩渦，所以把它叫作渦電流，簡(jiǎn)稱渦流．知識(shí)深化1．產(chǎn)生渦流的兩種情況(1)塊狀金屬放在變化的磁場(chǎng)中．(2)塊狀金屬進(jìn)出磁場(chǎng)或在非勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)．2．產(chǎn)生渦流時(shí)的能量轉(zhuǎn)化(1)金屬塊在變化的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能．(2)金屬塊進(jìn)出磁場(chǎng)或在非勻強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，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．渦流的應(yīng)用與防止(1)應(yīng)用：真空冶煉爐、探雷器、安檢門等．(2)防止：為了減小電動(dòng)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(lái)代替整塊硅鋼鐵芯．(多選)高頻焊接原理示意圖如圖4所示，線圈通以高頻交變電流，金屬工件的焊縫中就產(chǎn)生大量焦耳熱，將焊縫熔化焊接，要使焊接處產(chǎn)生的熱量較大，可通過(guò)()圖4A．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〖答案〗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＝neq\f(ΔΦ,Δt)知，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(chǎn)生的熱量就會(huì)增大，故A、B、C正確，D錯(cuò)誤．針對(duì)訓(xùn)練(多選)下列哪些措施是為了防止渦流的危害()A．電磁爐所用的鍋要用平厚底金屬鍋B．探雷器的線圈中要通變化著的電流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．變壓器的鐵芯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，故A錯(cuò)誤；探雷器的線圈中有變化的電流，如果地下埋著金屬物品，金屬中會(huì)感應(yīng)出渦流，使儀器報(bào)警，這屬于渦流的應(yīng)用，故B錯(cuò)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，故C正確；變壓器的鐵芯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，故D正確．三、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)導(dǎo)學(xué)探究彈簧上端固定，下端懸掛一個(gè)磁體．將磁體托起到某一高度后放開，磁體能上下振動(dòng)較長(zhǎng)時(shí)間才停下來(lái)．如果在磁體下端放一個(gè)固定的閉合線圈，使磁體上下振動(dòng)時(shí)穿過(guò)它(如圖5所示)，磁體就會(huì)很快停下來(lái)，解釋這個(gè)現(xiàn)象．圖5〖答案〗當(dāng)磁體穿過(guò)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)阻礙磁體靠近或離開線圈，也就使磁體振動(dòng)時(shí)除了受空氣阻力外，還要受到線圈的磁場(chǎng)阻力，克服阻力需要做的功較多，機(jī)械能損失較快，因而會(huì)很快停下來(lái)．知識(shí)深化電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)的比較電磁阻尼電磁驅(qū)動(dòng)不同點(diǎn)成因由導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)形成的由磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)而形成的效果安培力方向與導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向相反，為阻力安培力方向與導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向相同，為動(dòng)力能量轉(zhuǎn)化克服安培力做功，其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，最終轉(zhuǎn)化為內(nèi)能磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)安培力做功，電能轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體的機(jī)械能共同點(diǎn)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(chǎng)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)(2017·全國(guó)卷Ⅰ)掃描隧道顯微鏡(STM)可用來(lái)探測(cè)樣品表面原子尺度上的形貌．為了有效隔離外界振動(dòng)對(duì)STM的擾動(dòng)，在圓底盤周邊沿其徑向?qū)ΨQ地安裝若干對(duì)紫銅薄板，并施加磁場(chǎng)來(lái)快速衰減其微小振動(dòng)，如圖6所示．無(wú)擾動(dòng)時(shí)，按下列四種方案對(duì)紫銅薄板施加恒磁場(chǎng)；出現(xiàn)擾動(dòng)后，對(duì)于紫銅薄板上下及左右振動(dòng)的衰減最有效的方案是()圖6〖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(dòng)時(shí)，紫銅薄板隨之上下及左右振動(dòng)，都會(huì)使穿過(guò)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(dòng)，故A正確；在B、D圖中，只有紫銅薄板左右振動(dòng)才產(chǎn)生感應(yīng)電流，而上下振動(dòng)無(wú)感應(yīng)電流產(chǎn)生，故B、D錯(cuò)誤；在C圖中，無(wú)論紫銅薄板上下振動(dòng)還是左右振動(dòng)，都不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，故C錯(cuò)誤．如圖7所示，蹄形磁體和矩形線圈均可繞豎直軸OO′轉(zhuǎn)動(dòng)．從上向下看，當(dāng)蹄形磁體逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)()圖7A．線圈將逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速與磁體相同B．線圈將逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速比磁體小C．線圈將逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速比磁體大D．線圈靜止不動(dòng)〖答案〗B〖解析〗當(dāng)蹄形磁體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線圈的磁通量發(fā)生變化，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流，產(chǎn)生安培力，故線圈一定會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，由楞次定律可知，線圈將與磁體同向轉(zhuǎn)動(dòng)，但轉(zhuǎn)速一定小于磁體的轉(zhuǎn)速，如兩者的轉(zhuǎn)速相同，磁感線與線圈處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，線圈不切割磁感線，無(wú)感應(yīng)電流產(chǎn)生，B正確，A、C、D錯(cuò)誤．電磁阻尼、電磁驅(qū)動(dòng)都是楞次定律“阻礙”的體現(xiàn)．阻礙磁通量的變化，阻礙導(dǎo)體與磁場(chǎng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)．1.(感生電場(chǎng))如圖8所示，在內(nèi)壁光滑、水平放置的玻璃圓環(huán)內(nèi)，有一直徑略小于圓環(huán)口徑的帶正電的小球，正以速率v0沿逆時(shí)針?lè)较騽蛩俎D(zhuǎn)動(dòng)．若在此空間突然加上方向豎直向上、磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨時(shí)間成正比例增加的變化磁場(chǎng)，若運(yùn)動(dòng)過(guò)程中小球的帶電荷量不變，那么()圖8A．磁場(chǎng)力對(duì)小球一直做正功B．小球受到的磁場(chǎng)力不斷增大C．小球先沿逆時(shí)針?lè)较蜃鰷p速運(yùn)動(dòng)，過(guò)一段時(shí)間后，沿順時(shí)針?lè)较蜃黾铀龠\(yùn)動(dòng)D．小球仍做勻速圓周運(yùn)動(dòng)〖答案〗C〖解析〗因?yàn)椴ＡA環(huán)所在處有均勻變化的磁場(chǎng)，在周圍產(chǎn)生穩(wěn)定的感應(yīng)電場(chǎng)，電場(chǎng)力對(duì)帶正電的小球做功，由楞次定律可判斷感生電場(chǎng)方向?yàn)轫槙r(shí)針?lè)较?，在電?chǎng)力作用下，小球先沿逆時(shí)針?lè)较蜃鰷p速運(yùn)動(dòng)，后沿順時(shí)針?lè)较蜃黾铀龠\(yùn)動(dòng)，選項(xiàng)C正確，D錯(cuò)誤；磁場(chǎng)力方向始終與小球做圓周運(yùn)動(dòng)的線速度方向垂直，所以磁場(chǎng)力對(duì)小球不做功，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；小球的速率先減小到零后增大，開始時(shí)B＝0，F(xiàn)＝0，小球速率為零時(shí)，F(xiàn)＝0，可知小球受到的磁場(chǎng)力不是不斷增大的，選項(xiàng)B錯(cuò)誤．2．(渦流)(多選)(2020·江蘇蘇州期末)圖9中的四個(gè)圖都與渦流有關(guān)，下列說(shuō)法正確的是()圖9A．真空冶煉爐是利用渦流來(lái)熔化金屬的裝置B．金屬探測(cè)器是利用被測(cè)金屬中產(chǎn)生的渦流來(lái)進(jìn)行探測(cè)的C．電磁爐工作時(shí)在它的面板上產(chǎn)生渦流加熱食物D．變壓器的鐵芯用相互絕緣的硅鋼片疊合而成是為了減小渦流〖答案〗ABD〖解析〗真空冶煉爐是利用線圈中的電流做周期性變化，在金屬中產(chǎn)生渦流，從而產(chǎn)生大量的熱量，熔化金屬的，故A正確；金屬探測(cè)器中通有變化的電流，遇到金屬物體時(shí)，被測(cè)金屬中產(chǎn)生渦流，渦流的磁場(chǎng)反過(guò)來(lái)影響探測(cè)器中的電流，從而進(jìn)行探測(cè)，故B正確；電磁爐工作時(shí)，在鍋體中產(chǎn)生渦流，加熱食物，故C錯(cuò)誤；當(dāng)變壓器中的電流變化時(shí)，在其鐵芯中將產(chǎn)生渦流，使用硅鋼片制成的鐵芯可以減小渦流，從而減小能量損失，故D正確．3．(電磁阻尼)(2020·北京平谷二模)如圖10甲所示是一個(gè)電磁阻尼現(xiàn)象演示裝置，銅鋸條上端固定在支架上，下端固定有強(qiáng)磁鐵，將磁鐵推開一個(gè)角度釋放，它會(huì)在豎直面內(nèi)擺動(dòng)較長(zhǎng)時(shí)間；如圖乙所示，若在其正下方固定一銅塊(不與磁鐵接觸)，則擺動(dòng)迅速停止．關(guān)于該實(shí)驗(yàn)，以下分析與結(jié)論正確的是()圖10A．如果將磁鐵的磁極調(diào)換，重復(fù)實(shí)驗(yàn)將不能觀察到電磁阻尼現(xiàn)象B．用閉合的銅制線圈替代銅塊，重復(fù)實(shí)驗(yàn)將不能觀察到電磁阻尼現(xiàn)象C．在圖乙情況中，下擺和上擺過(guò)程中磁鐵和鋸條組成的系統(tǒng)機(jī)械能均減少D．在擺動(dòng)過(guò)程中銅塊不受磁鐵的作用力〖答案〗C〖解析〗此實(shí)驗(yàn)的原理是：當(dāng)磁鐵在銅塊正上方擺動(dòng)時(shí)，在銅塊中產(chǎn)生渦流，渦流的磁場(chǎng)阻礙磁鐵的運(yùn)動(dòng)，如果將磁鐵的磁極調(diào)換，重復(fù)實(shí)驗(yàn)仍能觀察到電磁阻尼現(xiàn)象，選項(xiàng)A錯(cuò)誤；用閉合的銅制線圈替代銅塊，仍能在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，從而對(duì)磁鐵的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙作用，則重復(fù)實(shí)驗(yàn)仍能觀察到電磁阻尼現(xiàn)象，選項(xiàng)B錯(cuò)誤；在題圖乙情況中，磁鐵下擺和上擺過(guò)程中，銅塊均會(huì)產(chǎn)生渦流，從而消耗機(jī)械能，則磁鐵和鋸條組成的系統(tǒng)機(jī)械能均減少，選項(xiàng)C正確；在擺動(dòng)過(guò)程中，銅塊對(duì)磁鐵有阻礙作用，同時(shí)銅塊也要受磁鐵的作用力，選項(xiàng)D錯(cuò)