人教版(新教材)高中物理選擇性必修2學(xué)案3：2 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)PAGEPAGE12.3渦流、電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)〖學(xué)習(xí)目標(biāo)〗1．知道感生電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生以及與感生電場的聯(lián)系，會(huì)判斷感生電動(dòng)勢(shì)的方向并計(jì)算其大小。2．了解渦流的產(chǎn)生過程。3．了解渦流現(xiàn)象的利用和危害。4．通過對(duì)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。5．了解電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)及應(yīng)用?！甲灾鲗W(xué)習(xí)〗知識(shí)點(diǎn)一電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生電場〖新知導(dǎo)入〗電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生電場與電荷周圍的靜電場從產(chǎn)生機(jī)理上看有什么區(qū)別？〖知識(shí)梳理〗1．感生電場麥克斯韋認(rèn)為，磁場變化時(shí)會(huì)在空間激發(fā)一種電場，它與靜電場不同，不是由電荷產(chǎn)生的，我們把它叫作感生電場。2．感生電動(dòng)勢(shì)由感生電場產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。3．感生電動(dòng)勢(shì)中的非靜電力就是感生電場對(duì)自由電荷的作用。4．感生電場的方向判斷由磁場的方向和強(qiáng)弱變化，根據(jù)楞次定律判斷。〖小試牛刀〗1．判斷正誤。(1)感生電場線是閉合的。()(2)磁場變化時(shí)，可以產(chǎn)生感生電場，并不需要電路閉合這一條件。()(3)感生電場是產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)的原因。()(4)感生電動(dòng)勢(shì)與動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)一樣都是由于磁場變化產(chǎn)生的。()2．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(shí)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知識(shí)點(diǎn)二渦流〖新知導(dǎo)入〗在一鐵塊的外面繞有如圖所示的線圈，當(dāng)線圈通有如圖所示的交變電流時(shí)，請(qǐng)問鐵塊中有感應(yīng)電流嗎？如果有，它的形狀像什么？〖知識(shí)梳理〗1．定義由于電磁感應(yīng)，在導(dǎo)體中產(chǎn)生的像水中旋渦樣的感應(yīng)電流，把它叫作渦電流，簡稱渦流。2．渦流的特點(diǎn)及產(chǎn)生(1)特點(diǎn)：金屬塊中的渦流會(huì)產(chǎn)生熱量。(2)產(chǎn)生：用來冶煉合金鋼的真空冶煉爐(如圖)，爐外有線圈，線圈中通入迅速變化的電流，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。(3)利用渦流冶煉金屬的優(yōu)點(diǎn)是，整個(gè)過程可以在真空中進(jìn)行，能防止空氣中的雜質(zhì)進(jìn)入金屬，可以冶煉高質(zhì)量的合金。3．應(yīng)用(1)渦流熱效應(yīng)：如真空冶煉爐、電磁爐。(2)渦流磁效應(yīng)：如探雷器、安檢門。4．防止電動(dòng)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(gè)硅鋼鐵芯?！夹≡嚺５丁?．判斷正誤。(1)渦流也是一種感應(yīng)電流。()(2)導(dǎo)體中有渦流時(shí)，導(dǎo)體本身會(huì)產(chǎn)熱。()(3)利用渦流制成的探雷器可以探出“石雷”。()(4)真空冶煉爐是爐體發(fā)熱使金屬熔化。()2．如圖所示，在一個(gè)繞有線圈的可拆變壓器鐵芯上分別放一小鐵鍋水和一玻璃杯水。給線圈通入電流，一段時(shí)間后，一個(gè)容器中水溫升高，則通入的電流與水溫升高的是()A．恒定直流、小鐵鍋 B．恒定直流、琉璃杯C．變化的電流、小鐵鍋 D．變化的電流、玻璃杯知識(shí)點(diǎn)三電磁阻尼電磁驅(qū)動(dòng)〖新知導(dǎo)入〗(1)如圖甲所示，將磁鐵在同一高度釋放，下端放有閉合線圈的那塊磁鐵很快停止振動(dòng)，而另一個(gè)磁鐵能振動(dòng)較長時(shí)間，如何解釋這個(gè)現(xiàn)象？(2)如圖乙所示，當(dāng)順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)蹄形磁鐵時(shí)線圈怎樣轉(zhuǎn)動(dòng)？使線圈轉(zhuǎn)動(dòng)起來的動(dòng)力是什么力？〖知識(shí)梳理〗1．電磁阻尼(1)概念：當(dāng)導(dǎo)體在磁場中運(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)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)。2．電磁驅(qū)動(dòng)(1)概念：磁場相對(duì)導(dǎo)體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(dòng)起來的現(xiàn)象。(2)應(yīng)用：交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)?！夹≡嚺５丁?．判斷正誤。(1)電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)均遵循楞次定律。()(2)電磁阻尼發(fā)生的過程中，存在機(jī)械能向內(nèi)能的轉(zhuǎn)化。()(3)磁電式儀表的線圈用鋁框做骨架的目的是利用電磁阻尼。()(4)靈敏電流計(jì)在運(yùn)輸時(shí)總要用導(dǎo)體把兩個(gè)接線柱連在一起。()2．如圖所示，甲是閉合銅線框，乙是有缺口的銅線框，丙是閉合的塑料線框，它們的正下方都放置一薄強(qiáng)磁鐵，現(xiàn)將甲、乙、丙拿至相同高度H處同時(shí)釋放(各線框下落過程中不翻轉(zhuǎn))，則以下說法正確的是()A．三者同時(shí)落地 B．甲、乙同時(shí)落地，丙后落地C．甲、丙同時(shí)落地，乙后落地 D．乙、丙同時(shí)落地，甲后落地〖課堂探究〗一、對(duì)感生電場的理解探究1：如圖，一個(gè)閉合電路靜止于磁場中，由于磁場強(qiáng)弱的變化，閉合電路內(nèi)產(chǎn)生了感生電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生了感生電流，你知道原理嗎？〖要點(diǎn)歸納〗1．感生電場是一種渦旋電場，電場線是閉合的。2．感生電場的方向可由楞次定律判斷。如圖所示，當(dāng)磁場增強(qiáng)時(shí)，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．感生電場的存在與是否存在閉合電路無關(guān)。例1如圖所示，在一水平光滑絕緣塑料板上有一環(huán)形凹槽，有一質(zhì)量為m、電荷量為q的帶正電小球，在槽內(nèi)沿順時(shí)針方向做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，現(xiàn)加一豎直向上且磁感應(yīng)強(qiáng)度均勻減小的磁場，則()A．小球速度變大 B．小球速度變小C．小球速度不變 D．小球速度可能變大也可能變小感生電場與靜電場的區(qū)別靜電場感生電場產(chǎn)生條件由電荷激發(fā)由變化的磁場激發(fā)電場線特點(diǎn)靜電場的電場線，總是始于正電荷，終止于負(fù)電荷，不閉合、不相交、也不相切感生電場的電場線是閉合曲線，沒有終點(diǎn)和起點(diǎn)電場對(duì)電荷做功單位正電荷在靜電場中沿閉合路徑運(yùn)動(dòng)一周時(shí)，電場力所做的功為零單位正電荷在感生電場中沿閉合路徑運(yùn)動(dòng)一周時(shí)，電場力所做的功不為零電場方向的判斷方法靜電場方向與正電荷所受電場力方向一致，沿電場線的切線方向感生電場方向是根據(jù)磁場的變化情況由楞次定律判斷的二、對(duì)渦流的理解及應(yīng)用探究2：利用高頻交變電流焊接自行車零件的原理如圖所示。圖中M是高頻交流線圈，N是自行車零件，a是待焊接口。當(dāng)線圈M中通入高頻電流時(shí)，把a(bǔ)的兩端相接觸，接口便會(huì)被自動(dòng)焊接起來。這是為什么？〖要點(diǎn)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(shí)，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平方成正比，故金屬塊的發(fā)熱功率很大。2．渦流中的能量轉(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。例2光滑曲面與豎直平面的交線是拋物線，如圖所示，拋物線的方程為y＝x2，其下半部處在一個(gè)水平方向的勻強(qiáng)磁場中，磁場的上邊界是y＝a的直線(如圖中的虛線所示)。一個(gè)小金屬塊從拋物線上y＝b(b>a)處以速度v沿拋物線下滑，假設(shè)曲面足夠長，則金屬塊在曲面上滑動(dòng)的過程中產(chǎn)生的焦耳熱總量是()A．mgb B．eq\f(1,2)mv2C．mg(b－a) D．mg(b－a)＋eq\f(1,2)mv2規(guī)律方法(1)金屬塊進(jìn)出勻強(qiáng)磁場時(shí)，產(chǎn)生焦耳熱，損失機(jī)械能。(2)金屬塊整體在勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，其機(jī)械能不再損失，在磁場中做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。(3)金屬塊整體在非勻強(qiáng)磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬塊內(nèi)部因有渦流產(chǎn)生，金屬塊的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能。三、電磁阻尼與電磁驅(qū)動(dòng)的理解探究3：如圖所示裝置，可以用來演示電磁阻尼現(xiàn)象。把銅片懸掛在電磁鐵的兩極間，形成一個(gè)擺。在電磁鐵線圈(圖中未畫出)未通電時(shí)，銅片可以自由擺動(dòng)，要經(jīng)過較長時(shí)間才會(huì)停下來。而電磁鐵線圈通電后，銅片會(huì)很快穩(wěn)定并停下來。為什么？〖要點(diǎn)歸納〗電磁阻尼電磁驅(qū)動(dòng)不同點(diǎn)成因由導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動(dòng)形成由磁場運(yùn)動(dòng)形成效果安培力的方向與導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向相反，為阻力安培力的方向與導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)方向相同，為動(dòng)力能量轉(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)械能相同點(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)體與磁場的相對(duì)運(yùn)動(dòng)例3〖多選〗位于光滑水平面的小車上水平固定一螺線管，一個(gè)比螺線管長的條形磁鐵沿著螺線管的軸線以初速度v0水平穿入螺線管，并最終穿出，如圖所示，在此過程中()A．磁鐵做勻速直線運(yùn)動(dòng) B．磁鐵做減速運(yùn)動(dòng)C．小車向右做加速運(yùn)動(dòng) D．小車先加速后減速規(guī)律方法電磁阻尼與電磁驅(qū)動(dòng)的理解(1)電磁阻尼、電磁驅(qū)動(dòng)都是電磁感應(yīng)現(xiàn)象，都遵循楞次定律。(2)在電磁阻尼、電磁驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象中，安培力的作用效果都是阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)，應(yīng)注意電磁驅(qū)動(dòng)阻礙的結(jié)果中，導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)速度仍要小于磁場的運(yùn)動(dòng)速度。(3)在實(shí)際生活中，電磁驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用很廣，家庭中用的電能表、汽車上用的電磁式速度表以及感應(yīng)電動(dòng)機(jī)等，都是利用電磁驅(qū)動(dòng)原理制成的。四、渦流在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用渦流加熱、無明火、無煙、無廢氣，但火力強(qiáng)勁，安全可靠，在生產(chǎn)生活中得到了廣泛的應(yīng)用。例4〖多選〗“電磁感應(yīng)鋁箔封口機(jī)”被廣泛應(yīng)用在醫(yī)藥、食品、化工等生產(chǎn)行業(yè)的產(chǎn)品封口環(huán)節(jié)中，一手持式封口機(jī)如圖所示，它的工作原理是：當(dāng)接通電源時(shí)，內(nèi)置線圈產(chǎn)生磁場，當(dāng)磁感線穿過封口鋁箔材料時(shí)，瞬間產(chǎn)生大量小渦流，致使鋁箔自行快速發(fā)熱，熔化復(fù)合在鋁箔上的溶膠，從而粘貼在待封容器的封口處，達(dá)到迅速封口的目的。下列有關(guān)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(jī)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(dāng)減小所通電流的頻率來解決D．該封口機(jī)適用于玻璃、塑料等多種材質(zhì)的容器封口，但不適用于金屬容器

▁▃▅▇█參*考*答*案█▇▅▃▁〖自主學(xué)習(xí)〗知識(shí)點(diǎn)一電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生電場〖新知導(dǎo)入〗電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生電場是由變化的磁場激發(fā)產(chǎn)生的，靜電場是由電荷激發(fā)產(chǎn)生的?！夹≡嚺５丁?．√√√×2．〖答案〗A〖解析〗感生電場的方向從上向下看是順時(shí)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應(yīng)該是順時(shí)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，原磁場有兩種可能：原磁場方向向下且沿AB方向減弱或原磁場方向向上且沿BA方向增強(qiáng)。所以A正確。知識(shí)點(diǎn)二渦流〖新知導(dǎo)入〗鐵塊中有感應(yīng)電流，它的形狀像水中的旋渦。〖小試牛刀〗1．√√××2．〖答案〗C〖解析〗通入恒定直流時(shí)，所產(chǎn)生的磁場不變，不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流；通入變化的電流，所產(chǎn)生的磁場發(fā)生變化，在空間產(chǎn)生感生電場。鐵鍋是導(dǎo)體，感生電場在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦流，電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，使水溫升高；渦流是變化的磁場在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電流，所以玻璃杯中的水不會(huì)升溫。故C項(xiàng)正確。知識(shí)點(diǎn)三電磁阻尼電磁驅(qū)動(dòng)〖新知導(dǎo)入〗(1)圖甲中下端放有閉合線圈的磁鐵振動(dòng)時(shí)除了受空氣阻力外，還受到線圈的磁場阻力，所以很快停下來。(2)當(dāng)蹄形磁鐵順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),線圈也順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)蹄形磁鐵逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),線圈也逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。線圈內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流,線圈受到安培力的作用,安培力作為動(dòng)力使線圈轉(zhuǎn)動(dòng)起來?！夹≡嚺５丁?．√√√√2．〖答案〗D〖解析〗甲是銅線框，在下落過程中產(chǎn)生感應(yīng)電流，所受的安培力阻礙它的下落，故所需的時(shí)間長；乙沒有閉合回路，丙是塑料線框，都不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，它們做自由落體運(yùn)動(dòng)，故D正確?！颊n堂探究〗探究1：導(dǎo)體中的自由電荷在感生電場作用下做定向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電流。例1〖答案〗B〖解析〗磁場的變化使空間內(nèi)產(chǎn)生感生電場，由楞次定律知感生電場的方向?yàn)槟鏁r(shí)針，帶正電小球受到的電場力與運(yùn)動(dòng)方向相反，故小球速度減小，B正確。探究2：線圈中通以高頻交變電流時(shí)，待焊接的金屬工件中就產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于焊縫口的接觸電阻很大，放出的焦耳熱很多，致使溫度升的很高，將金屬熔化，焊接在一起。例2〖答案〗D〖解析〗由初狀態(tài)到末狀態(tài)(金屬塊在磁場區(qū)域內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng))能量守恒。初狀態(tài)機(jī)械能E1＝mgb＋eq\f(1,2)mv2，末狀態(tài)機(jī)械能E2＝mga，焦耳熱Q＝E1－E2＝mg(b－a)＋eq\f(1,2)mv2，D正確。探究3：當(dāng)電磁鐵被勵(lì)磁之后，由于穿過運(yùn)動(dòng)的銅片的磁通量發(fā)生變化，銅片內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電流。根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電流的效果總是反抗引起感應(yīng)電流的原因。因此，銅片的擺動(dòng)便因受到阻力而迅速停止，這就是電磁阻尼作用的結(jié)果。例3〖答案〗BC〖解析〗磁鐵水平穿入螺線管時(shí)，螺線管中將產(chǎn)生感應(yīng)電流，由楞次定律可知，產(chǎn)生的感應(yīng)電流將阻礙磁鐵的運(yùn)動(dòng)；同理，磁鐵穿出時(shí)，由楞次