人教版(新教材)高中物理選擇性必修2學(xué)案4：2 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.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?！夹轮骄俊揭?、電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的感生電場(chǎng)任務(wù)驅(qū)動(dòng)在產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)的情況下,磁場(chǎng)變化時(shí)會(huì)在空間激發(fā)感生電場(chǎng),非靜電力就是感生電場(chǎng)對(duì)自由電荷的作用。(1)感生電動(dòng)勢(shì)：在磁場(chǎng)中導(dǎo)體或?qū)w回路靜止,由于磁場(chǎng)強(qiáng)弱的變化,導(dǎo)體或?qū)w回路中產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)叫作感生電動(dòng)勢(shì)。(2)感生電場(chǎng)：定義:磁場(chǎng)變化時(shí)會(huì)在周圍空間激發(fā)一種電場(chǎng),我們把這種電場(chǎng)叫作感生電場(chǎng)。②特點(diǎn)：③感應(yīng)電流的產(chǎn)生：閉合導(dǎo)體中的自由電荷在感生電場(chǎng)力的作用下定向移動(dòng),從而產(chǎn)生感應(yīng)電流,或者說(shuō)導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。④感生電場(chǎng)的方向可以由楞次定律來(lái)判斷。感應(yīng)電流的方向與感生電場(chǎng)的方向相同。二、渦流定義：變壓器在工作時(shí)，除了在原、副線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)外，變化的磁通量也會(huì)在鐵芯中產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種感應(yīng)電流叫做渦流。實(shí)驗(yàn)1：如圖線圈接入220V交變電源，塊狀鐵芯插入線圈中，讓一名學(xué)生感知鐵芯的變化?，F(xiàn)象：幾分鐘后學(xué)生感到鐵芯變熱。解釋：原來(lái)把塊狀的金屬放在變化的磁場(chǎng)中或讓它在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，金屬塊內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬塊內(nèi)自成閉合電路，很像水的漩渦，因此叫做渦電流，簡(jiǎn)稱渦流。注意：（1）金屬塊中的渦流也要產(chǎn)生熱量,如果金屬的電阻率小,則渦流很強(qiáng),產(chǎn)生的熱量也很多。（2）渦流是整塊導(dǎo)體發(fā)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，同樣遵守電磁感應(yīng)定律。由于整塊金屬的電阻通常很小，故渦流常常很大。（3）渦流是整塊導(dǎo)體發(fā)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，同樣遵守電磁感應(yīng)定律。渦流在生活中的應(yīng)用1.熱效應(yīng)（1）冶煉：冶煉金屬的高頻感應(yīng)電爐就是利用高頻交流電，通過(guò)線圈使裝入冶煉爐內(nèi)的金屬中產(chǎn)生很強(qiáng)的渦流，從而產(chǎn)生大量的熱使金屬熔化。（2）焊接：線圈中通以高頻交流時(shí)，待焊接的金屬工件中就產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于焊接縫處的接觸電阻很大，放出的焦耳熱很多，致使溫度升得很高，將金屬熔化，焊接在一起。（3）電磁灶的臺(tái)面下布滿了金屬導(dǎo)線纏繞的線圈，當(dāng)通上交替變化極快的交流電時(shí)，在臺(tái)板與鐵鍋底之間產(chǎn)生強(qiáng)大的交變的磁場(chǎng)，磁感線穿過(guò)鍋體，使鍋底產(chǎn)生強(qiáng)渦流，當(dāng)渦流受材料電阻的阻礙時(shí)，就放出大量的熱量，將飯菜煮熟。2.磁效應(yīng)機(jī)場(chǎng)安檢用的安檢，軍事上用的探雷器，還有尋找地下礦產(chǎn)的探測(cè)等。金屬探測(cè)器工作時(shí)讓變化的電流通過(guò)線圈，產(chǎn)生不斷變化的磁場(chǎng)。如果探測(cè)器靠近金屬，就能在金屬內(nèi)部產(chǎn)生渦流，這渦流又會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，反過(guò)來(lái)影響探測(cè)器的磁場(chǎng)，讓探測(cè)器發(fā)出報(bào)警聲。渦流的危害與防止電動(dòng)機(jī)、變壓器的線圈都繞在鐵芯上，線圈中通過(guò)交變電流時(shí)，在鐵芯中產(chǎn)生的渦流使鐵芯發(fā)熱，浪費(fèi)了電能，還可能損壞電器。因此，要想辦法減少渦流。一是增大鐵芯材料的電阻率。二是用互相絕緣的硅鋼片疊成的鐵芯來(lái)代替整塊硅鋼鐵芯?！嫉淅v〗例1如圖所示，閉合導(dǎo)線圓環(huán)和條形磁鐵都可以繞水平的中心軸OO′自由轉(zhuǎn)動(dòng)，開(kāi)始時(shí)磁鐵和圓環(huán)都靜止在豎直平面內(nèi)．若條形磁鐵突然繞OO′軸N極向紙里、S極向紙外轉(zhuǎn)動(dòng)，在此過(guò)程中，圓環(huán)將()A．產(chǎn)生逆時(shí)針?lè)较虻母袘?yīng)電流，圓環(huán)上端向里、下端向外隨磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)B．產(chǎn)生順時(shí)針?lè)较虻母袘?yīng)電流，圓環(huán)上端向外、下端向里轉(zhuǎn)動(dòng)C．產(chǎn)生逆時(shí)針?lè)较虻母袘?yīng)電流，圓環(huán)并不轉(zhuǎn)動(dòng)D．產(chǎn)生順時(shí)針?lè)较虻母袘?yīng)電流，圓環(huán)并不轉(zhuǎn)動(dòng)長(zhǎng)例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、玻璃杯C.變化的電流、小鐵鍋 D.變化的電流、玻璃杯〖新知探究〗三、電磁阻尼(1)定義:當(dāng)導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí),導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,感應(yīng)電流會(huì)使導(dǎo)體受到安培力,安培力總是阻礙導(dǎo)體運(yùn)動(dòng),這種現(xiàn)象稱為電磁阻尼。(2)應(yīng)用:磁電式儀表中利用電磁阻尼使指針迅速停下來(lái),便于讀數(shù)。四、電磁驅(qū)動(dòng)(1)定義：磁場(chǎng)相對(duì)于導(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(lái),這種作用稱為電磁驅(qū)動(dòng)。(2)應(yīng)用：交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。實(shí)驗(yàn)情境：某同學(xué)做了一個(gè)如圖所示的實(shí)驗(yàn):一個(gè)鋁框放在蹄形磁鐵的兩個(gè)磁極間,可以繞支點(diǎn)O自由轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)磁鐵,請(qǐng)你觀察鋁框的運(yùn)動(dòng)并思考:(1)怎樣解釋鋁框的運(yùn)動(dòng)?鋁框會(huì)跟隨著磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)。原因是磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng),穿過(guò)鋁框的磁通量發(fā)生變化,根據(jù)楞次定律,鋁框中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,從而鋁框受到安培力的作用,在安培力的驅(qū)動(dòng)下,鋁框會(huì)跟隨著磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)。(2)鋁框轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度能否等于磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度?電磁驅(qū)動(dòng)中,感應(yīng)電流的作用是阻礙磁鐵與鋁框的相對(duì)運(yùn)動(dòng),但不能阻止這種相對(duì)運(yùn)動(dòng),所以鋁框轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度一定小于磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。電磁阻尼和電磁驅(qū)動(dòng)的區(qū)別與聯(lián)系〖典例精講〗例3如圖所示,在光滑水平桌面上放一條形磁鐵,分別將大小相同的鐵球、鋁球和木球放在磁鐵的一端且給它們一個(gè)相同的初速度,讓其向磁鐵滾去,觀察小球的運(yùn)動(dòng)情況是()A.都做勻速運(yùn)動(dòng)B.甲、乙做加速運(yùn)動(dòng)C.甲做加速運(yùn)動(dòng),乙做減速運(yùn)動(dòng),丙做勻速運(yùn)動(dòng)D.甲做減速運(yùn)動(dòng),乙做加速運(yùn)動(dòng),丙做勻速運(yùn)動(dòng)例4著名物理學(xué)家弗曼曾設(shè)計(jì)過(guò)一個(gè)實(shí)驗(yàn),如圖所示,在一塊絕緣圓盤上中部安一個(gè)線圈,并接有電源,圓盤的四周固定有許多帶負(fù)電的小球,整個(gè)裝置支撐起來(lái)。忽略各處的摩擦,當(dāng)電源接通的瞬間,下列關(guān)于圓盤(俯視)的說(shuō)法中正確的是 ()A.圓盤將逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) B.圓盤將順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)C.圓盤不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng) D.無(wú)法確定圓盤是否會(huì)動(dòng)〖隨堂練習(xí)〗1．如圖所示，內(nèi)壁光滑的塑料管彎成的圓環(huán)平放在水平桌面上，環(huán)內(nèi)有一帶負(fù)電的小球，整個(gè)裝置處于豎直向下的磁場(chǎng)中，當(dāng)磁場(chǎng)突然增強(qiáng)時(shí)，小球?qū)?)A．沿順時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng) B．沿逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng)C．在原位置附近往復(fù)運(yùn)動(dòng) D．仍然保持靜止?fàn)顟B(tài)2．〖多選〗關(guān)于渦流，下列說(shuō)法正確的是()A．真空冶煉爐是利用渦流來(lái)熔化金屬的裝置B．家用電磁爐是利用渦流使鍋體發(fā)熱的C．阻尼擺擺動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的渦流總是阻礙其運(yùn)動(dòng)D．變壓器的鐵芯用相互絕緣的硅鋼片疊成能增大渦流3．如圖所示，條形磁鐵從高h(yuǎn)處自由下落，中途穿過(guò)一個(gè)固定的空心線圈。開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)，條形磁鐵至落地用時(shí)t1，落地時(shí)速度為v1；S閉合，條形磁鐵至落地用時(shí)t2，落地時(shí)速度為v2。t1與t2、v1與v2大小關(guān)系正確的是()A．t1>t2，v1>v2 B．t1＝t2，v1＝v2C．t1<t2，v1<v2 D．t1<t2，v1>v24．如圖所示，在蹄形磁鐵的兩極間有一可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)的銅盤(不計(jì)各種摩擦)，現(xiàn)讓銅盤轉(zhuǎn)動(dòng)。下面對(duì)觀察到的現(xiàn)象描述及解釋正確的是()A．銅盤中沒(méi)有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、沒(méi)有感應(yīng)電流，銅盤將一直轉(zhuǎn)動(dòng)下去B．銅盤中有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、沒(méi)有感應(yīng)電流，銅盤將一直轉(zhuǎn)動(dòng)下去C．銅盤中既有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)又有感應(yīng)電流，銅盤將很快停下D．銅盤中既有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)又有感應(yīng)電流，銅盤將越轉(zhuǎn)越快5．安檢門原理圖如圖所示，左邊門框中有一通電線圈，右邊門框中有一接收線圈。工作過(guò)程中某段時(shí)間通電線圈中存在(由左向右看)順時(shí)針?lè)较蚓鶆驕p小的電流，則()A．無(wú)金屬片通過(guò)時(shí)，接收線圈中的感應(yīng)電流方向?yàn)槟鏁r(shí)針B．無(wú)金屬片通過(guò)時(shí)，接收線圈中的感應(yīng)電流增大C．有金屬片通過(guò)時(shí)，接收線圈中的感應(yīng)電流方向?yàn)槟鏁r(shí)針D．有金屬片通過(guò)時(shí)，接收線圈中的感應(yīng)電流大小發(fā)生變化

▁▃▅▇█參*考*答*案█▇▅▃▁例1.〖答案〗A〖解析〗磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，環(huán)中穿過(guò)環(huán)向里的磁通量增加，根據(jù)楞次定律，環(huán)中產(chǎn)生逆時(shí)針?lè)较虻母袘?yīng)電流．磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，為阻礙磁通量的變化，導(dǎo)線圓環(huán)與磁鐵同向轉(zhuǎn)動(dòng)，所以選項(xiàng)A正確．例2.〖答案〗C〖解析〗通入恒定直流時(shí),所產(chǎn)生的磁場(chǎng)不變,不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流,選項(xiàng)A、B錯(cuò)誤;通入變化的電流,所產(chǎn)生的磁場(chǎng)發(fā)生變化,在空間產(chǎn)生感生電場(chǎng),小鐵鍋是導(dǎo)體,感生電場(chǎng)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;渦流是由變化的磁場(chǎng)在導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生的,所以玻璃杯中的水不會(huì)升溫,選項(xiàng)C正確,D錯(cuò)誤。例3.〖答案〗C〖解析〗鐵球?qū)⒓铀龠\(yùn)動(dòng),其原因是鐵球被磁化后與磁鐵之間產(chǎn)生相互吸引的磁力;鋁球?qū)p速運(yùn)動(dòng),其原因是鋁球內(nèi)產(chǎn)生了感應(yīng)電流,感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)阻礙其相對(duì)運(yùn)動(dòng);木球?qū)蛩龠\(yùn)動(dòng),其原因是木球既不能被磁化,也不能產(chǎn)生感應(yīng)電流,所以磁鐵對(duì)木球不產(chǎn)生力的作用。例4.〖答案〗A〖解析〗線圈接通電源瞬間,則變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生變化的電場(chǎng),從而導(dǎo)致帶電小球受到電場(chǎng)力,使其轉(zhuǎn)動(dòng)。接通電源瞬間,由于金屬小球帶負(fù)電,再根據(jù)電磁場(chǎng)理論可知,變化的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生變化電場(chǎng),因此向上磁場(chǎng)變大,則產(chǎn)生順時(shí)針?lè)较虻碾妶?chǎng),帶負(fù)電的小球受到的電場(chǎng)力與電場(chǎng)方向相反,則有逆時(shí)針?lè)较虻碾妶?chǎng)力,故圓盤將沿逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng),A正確?！茧S堂練習(xí)〗1．〖答案〗A〖解析〗磁感應(yīng)強(qiáng)度豎直向下，當(dāng)磁場(chǎng)突然增強(qiáng)時(shí)，由楞次定律可知，感生電場(chǎng)沿逆時(shí)針?lè)较?，由于小球帶?fù)電，所以小球?qū)⒀仨槙r(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng)，A正確。2．〖答案〗ABC〖解析〗真空冶煉爐是用渦流來(lái)熔化金屬對(duì)其進(jìn)行冶煉的，爐內(nèi)放入被冶煉的金屬，線圈內(nèi)通入高頻交變電流，這時(shí)被冶煉的金屬中產(chǎn)生渦流就能被熔化，故A正確；電磁爐利用高頻電流在電磁爐內(nèi)部線圈中產(chǎn)生磁場(chǎng)，當(dāng)含鐵質(zhì)鍋具放置爐面時(shí)，在鍋具底部產(chǎn)生渦流，故B正確；阻尼擺擺動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的渦流總是阻礙其運(yùn)動(dòng)，當(dāng)金屬擺從磁場(chǎng)中穿過(guò)時(shí)，金屬擺內(nèi)感應(yīng)出的渦流會(huì)對(duì)金屬擺的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙作用，故C正確；渦流要損耗能量，變壓器的鐵芯用相互絕緣的硅鋼片疊成，其目的是為了減小渦流，故D錯(cuò)誤。3．〖答案〗D〖解析〗開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí)，線圈中無(wú)感應(yīng)電流，對(duì)條形磁鐵的運(yùn)動(dòng)無(wú)阻礙作用，條形磁鐵做自由落體運(yùn)動(dòng)，故a＝g；當(dāng)S閉合時(shí)，線圈中有感應(yīng)電流，對(duì)條形磁鐵的運(yùn)動(dòng)有阻礙作用，故a<g。所以t1<t2，v1>v2，選項(xiàng)D正確。4．〖答案〗C〖解析〗銅盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律及楞次定律知，盤中有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，也產(chǎn)生感應(yīng)電流，